医疗器械的制作方法

医疗器械
1.本发明涉及医疗器械，在本说明书中以用于在检查和治疗耳朵中使用的诸如内窥镜或耳镜等医疗观测仪器为例
。
2.诸如内窥镜和耳镜等器械可以用于检查耳朵以及在耳朵上执行手术
。
一些此类器械可以被保持在外科医生的眼睛上以观察和放大对象，而其他此类器械具有允许在视频显示器
(
诸如计算机监视器
)
上观察对象的相机
。
3.有效的接近和可视化是安全外科手术的关键
。
在这方面，采用显微可视化的传统耳部手术受到向下观察耳道的窄视场的缺点的影响
。
结果，在中耳内难以接近的区域
(
诸如鼓膜窦和面神经隐窝
)
中可能存在疾病的不良可视化
。
虽然可以通过使用显微镜和专门的手术器械经由窥镜来执行经外耳道的手术，但这再次受到窄视场的影响
。
4.因此，为了改善视野，经常需要通过进行乳突切除来暴露中耳
、
以及鼓室上的隐窝区域
。
然而，由于耳朵周围是致密的骨头，因此乳突切除术与手术时间增加
、
潜在的严重并发症
、
住院时间延长和恢复时间延长有关
。
5.耳部手术中显微镜可视化的另一个缺点是手术显微镜的尺寸太大
。
这损害了外科医生的灵活性，限制了可用于手术干预的空间，并且在使用显微镜时可能对外科医生产生负面的人体工程学后果
。
6.尤其是因为显微镜可视化的缺点，耳内窥镜手术已经成为一项日益增长的临床专业
。
与手术显微镜相比，内窥镜提供了改善的可见性并且允许更少的侵入性手术
。
然而，耳对内窥镜的使用提出了特别的挑战，要求内窥镜的图像感测部分尽可能小，同时维持图像质量并且允许多个视角
。
另一项挑战涉及清洁，特别是在使用中保持内窥镜的透镜清洁，并且更一般地涉及清洁或修复内窥镜以供重复使用
。
7.在使用中，粘附到内窥镜的透镜上的组织或其他污染物会使视线模糊
。
因此，在手术期间，可能必须从对象的耳道反复地移除内窥镜以进行清洁
。
这会中断并延长外科手术并且会增加错误或意外伤害患者的风险
。
8.关于反复使用，存在内窥镜可能被存在于耳道中的朊病毒污染的风险
。
被错误类型的朊病毒污染可能会危及患者的生命
。
甚至在工业中使用的清洁和杀菌方法也不能除去某些类型的污染物诸如朊病毒；就这点而言，朊病毒不能被杀死，因为它们不是活的生物体
。
因此，目前，世界卫生组织建议所有在手术中使用的器械在手术后丢弃并且因此在任何可能的地方都是一次性使用的
。
9.考虑到这种风险和其他风险，市场上已经出现了用于耳部手术的一次性使用内窥镜
。
实际上，现在对于医院和制造商存在从内窥镜装备的重复使用和维护的模式向一次性使用内窥镜检查转变的显著趋势
。
这种趋势在某种程度上是由于医院内灭菌不能对装备进行完全灭菌，因此降低了系统的置信度
。
10.与简单的一次性使用医疗装备
(
诸如手术刀刀片和注射器
)
不同，一次性使用内窥镜较大并且产生大量医疗废弃物
。
通常对医疗废弃物进行焚化，使得材料不可回收
。
在包含电子器件的器械的情况下，这种器械可能包含贵金属或稀土金属
。
造成有价值的资源的浪费以及对环境的潜在负面影响
。
11.乍一看，从一次性使用系统转向循环经济系统可以看作是这个问题的解决方案
。
对于一次性使用器械的制造商而言，转向循环经济系统将首先涉及在逆向物流操作中从医院回收使用过的器械
。
该回收步骤之后将是拆卸器械；识别可重复使用的部件并对其进行清洁；丢弃不能重复使用的部件并用新的部件更换不能重复使用的部件；用重复使用的部件和新的部件组装成新的器械；以及对该新的器械进行包装和灭菌以备分配
。
然而，该过程作为一次性使用内窥镜检查的替代方案是不可行的，这是因为在内窥镜中和在循环经济系统中使用的过程中未包含特殊设计特征部
。
12.本发明提出如何将手术器械设计成集成到循环经济或逆向物流系统中，其中器械的至少大部分可以安全且经济有效地重复使用，且浪费最少
。
本发明的概念还涵盖一种方法，通过该方法可以在循环经济或逆向物流系统下修复外科器械以供重复使用
。
13.更一般地，本发明还改善了现有的解决方案以提供一种用于耳部手术的全景内窥镜，该全景内窥镜是紧凑的
、
可靠的
、
并且在使用中易于保持清洁并且提供高效的可视化
。
14.本发明的实施方案描述了如何将内窥镜的相机集成到旋转头中以满足实现多个视角的要求
。
理想地，旋转头可以转过
360
°
。
这使得通过将头并因此将透镜旋转过有用的视角并且越过从透镜移除碎屑的擦拭片来方便地清洁相机的透镜
。
优美地，这允许用一个简单的机构解决内窥镜耳部手术的两个主要挑战
。
15.为了允许内窥镜以这种方式操作，旋转头的相机单元是集成模块，其包括透镜
、
图像传感器和数据传输设备
。
可以将数据从旋转头无线地传输到内窥镜的支撑探针结构或者传输到内窥镜外部的控制单元
。
无线解决方案具有不需要有线数据连接的优点，这是因为有线数据连接原本会限制头的旋转
。
16.还必须将电功率递送到旋转头以给相机模块和任何其他电系统
(
诸如照明用
led)
供电，照明用
led
通常在内窥镜设计中与末端芯片图像传感器并排存在
。
同样，这应理想地以不限制头的旋转的方式进行
。
17.用于向旋转头递送电功率的一种解决方案涉及在旋转轴线上或围绕旋转轴线使用旋转或滑动触点，其中头连结到内窥镜的支撑探针
。
这需要稳健的密封布置以使带电触点与耳中的湿气以及与外科手术中使用的盐水溶液
(
其是导电的
)
绝缘
。
另一解决方案是例如以类似于感应充电单元的方式无线地或电磁地递送功率
。
然而，由于用于耳部手术的内窥镜所需要的紧凑性，实施这些解决方案中的任一个仍然具有挑战性
。
18.耳道的狭窄程度决定，最佳地，探针和旋转头的外径应当不大于
3.2mm。
无线功率递送在旋转头中需要线圈，在这种情况下，线圈可能显著地限制头中可用于其他部件
(
特别是相机模块本身
)
的空间
。
19.相同的尺寸限制也对图像质量具有显著影响，因为这些限制规定相机的图像传感器必须在面积上小，通常小于
2mm
×
2mm。
这又意味着小的像素尺寸；并且分辨率越高，像素尺寸也越小
。
由于较小的传感器像素与较大的像素相比对光较不太敏感，因此问题随之而来
。
这在所有其他条件相同的情况下会导致比较大传感器提供的图像更暗
、
质量更低的图像
。
为了抵消这一点，可以使用更大的光学光圈或透镜来捕获更多的光，但这具有降低景深的连锁反应
。
实际上，在足够紧凑的光学系统中，景深可能变得如此受限以至于不能用于外科手术
。
20.最终，补偿系统的小尺寸所需要的是更好的照明
。
这可能需要提供更大且更强效
的
led
或使用远程光源和光纤或其他光传输特征部
。
21.在这种背景下，本发明在于一种包括成像头的医疗观测仪器，其中，该成像头包括：囊体，该囊体封装图像传感器和与该图像传感器相关联的电子器件；和光导，该光导被布置成将照明传送至图像传感器的视场
。
光导可以位于囊体内或可以附接到囊体
。
22.成像头可以进一步包括拆卸接口，在该拆卸接口处，被封装的图像传感器和电子器件能够优先地
(preferentially)
与光导分离
。
例如，拆卸接口可以包括位于成像头或囊体之中或之上的至少一个弱化点或至少一条弱化线
。
此类特征部可以与成像头的设置在光导与图像传感器和电子器件之间接头对准
。
拆卸接口可以进一步包括嵌入在囊体内的保护屏障
。
23.观测仪器的探针可以包括底座，成像头在该底座处可移动地附接到探针
。
成像头可以从底座悬臂伸出
。
优美地，囊体或光导可以包括成形为与底座可移动地接合的型构
。
光导优选地沿平行于旋转轴线
(
成像头可以围绕该旋转轴线相对于底座转动
)
的方向设置在底座与图像传感器之间
。
24.成像头适当地设置在探针的远端处
。
手柄可以可分离地安装到探针的近端
。
手柄可以包括：驱动器，该驱动器用于使成像头相对于探针移动；光源，该光源用于沿着探针向成像头的光导传送照明；以及功率和
/
或数据连接部，这些功率和
/
或数据连接部用于沿着探针向成像头传送功率和
/
或数据和
/
或从成像头传送功率和
/
或数据
。
因此，驱动器接口
、
光学接口
、
以及功率和
/
或数据接口适合于设置在手柄与探针之间
。
探针还可以支撑可以在手柄上拉动的保护外护套
。
25.本发明的概念涵盖拆卸医疗观测仪器的成像头的对应方法
。
因此，该方法包括：破坏或切割成像头的囊体，该囊体封装图像传感器和相关联的电子器件；以及将图像传感器和电子器件与成像头的光导分离，该光导被布置成将照明传送至图像传感器的视场
。
在预备步骤中，优选地在对囊体进行破坏
、
切割或以其他方式穿透之前检查囊体的密封完整性
。
26.光导可以例如通过从囊体内移除或者通过从囊体的外部拆下而与囊体分离
。
可以将力施加到成像头或囊体的弱化线或弱化点以将图像传感器和电子器件与光导分离
。
27.在使用之后，可以将观测仪器放置到容器中，然后将该容器包围观测仪器密封
。
方便地，在使用之前，可以在无菌状态下将观测仪器从同一容器取出
。
在密封之前，可以向容器中加入水以活化容器中的清洁剂
。
然后，可以将密封的容器放置在贮存器中，当贮存器装满或几乎装满时，可以将贮存器传送至拆卸单元
。
28.当容器被接收
(
不管是直接接收还是经由贮存器接收
)
在拆卸单元处时，可以将观测仪器从容器中拆包然后拆卸成多个部分
。
拆包和
/
或拆卸优选地用机器人进行
。
在拆卸期间，可以对观测仪器施加部分真空，或者可以在观测仪器上施加气流
。
这防止在拆卸期间污染物颗粒从已拆卸的外部部件转移到内部部件
。
这些部件可以被分类为：用于再循环的部件；供重复使用的部件，其可以包括图像传感器；要销毁的废弃物；和
/
或可生物降解的材料
。
然后可以将供重复使用的部件运输到再制造设施
。
29.本发明的概念还扩展到制造本发明的医疗观测仪器的成像头的方法
。
该方法包括将成像头的图像传感器和相关联的电子器件封装在囊体内，该成像头还包括光导，该光导被布置成将照明传送至图像传感器的视场
。
30.光导也可以被封装在囊体内
。
例如，可以在第一包覆成型步骤中对光导进行包覆
成型以将光导嵌入包覆成型的主体中
。
然后，可以将图像传感器和电子器件定位成抵靠包覆成型主体或定位在包覆成型主体旁边，之后在第二包覆成型步骤中对图像传感器和电子器件进行包覆成型以完成囊体
。
也可以将感应线圈嵌入包覆成型主体中
。
31.包覆成型主体可以形成在底座上，成像头能够围绕该底座相对于观测仪器的探针移动
。
例如，底座可以是以下型构：成像头可以围绕该底座相对于探针旋转
。
32.因此，在本发明中，医疗观测仪器的成像头包括囊体，该囊体封装图像传感器和与图像传感器相关联的电子器件
。
成像头还包括光导，该光导位于囊体内或附接到囊体，该光导将照明传送至图像传感器的视场
。
可以通过破坏或切割囊体以将图像传感器和电子器件与光导分离来拆卸成像头
。
33.通过将图像传感器和电子器件以及可选地还有光导封装在囊体内来制造成像头
。
可以在第一包覆成型步骤中将光导包覆成型以将光导嵌入包覆成型主体中
。
然后可以将图像传感器和电子器件定位在包覆成型的主体旁边或定位成抵靠包覆成型的主体，并且在第二包覆成型步骤中对图像传感器和电子器件进行包覆成型以完成囊体
。
34.在本发明的另一方面中，一种医疗观测仪器包括：细长主体或探针；成像头，该成像头由该主体的底座支撑并且能够相对于该底座移动，该成像头包括光发射器，该光发射器用于照亮该成像头的视场；和光路，该光路从该主体延伸并且通过该成像头到达该光发射器，该光路包括该成像头的光入口，该光入口与该主体的光出口相对
。
成像头优选地从底座悬臂伸出
。
35.便利地，光入口和光出口可以相互相对地位于安装接口的两端，该安装接口诸如是枢转耦接部，在该安装接口处，成像头可移动地附接到底座
。
36.在成像头包含图像传感器的情况下，成像头可以进一步包括光伏发电机，该光伏发电机被布置成使得光的照射产生用于图像传感器的电功率
。
成像头可以进一步包括数据传输器，该数据传输器由光伏发电机供电，以将图像数据从图像传感器传输到成像头外部的接收器
。
37.成像头可以进一步包括位于光路中的光导，该光导被配置为将从主体接收到的光的一部分引导到光伏发电机上并且将从主体接收到的光的另一部分引导到光发射器上
。
光导可以例如包括滤波器，该滤波器被配置为将从主体接收到的光分成将被引导到光伏发电机上并且朝向光发射器引导的所述部分
。
38.在光入口和光出口设置在旋转轴线
(
成像头能够绕该旋转轴线相对于底座转动
)
上的情况下，光导可以在平行于该轴线的方向上设置在底座与图像传感器之间
。
光发射器还可以在平行于旋转轴线的方向上设置在底座与图像传感器之间，位于与旋转轴线径向间隔开的位置处
。
39.成像头可以包括包围图像传感器的封装
。
该封装可以包括拆卸接口，在该拆卸接口处，图像传感器能够优先地与光发射器分离
。
拆卸接口可以例如包括封装中的至少一个弱化点
。
拆卸接口还可以或者替代地包括沿着封装中的切割线嵌入的保护带
。
40.本发明的概念还涵盖一种照亮医疗观测仪器的成像头的视场的对应方法，该成像头能够相对于观测仪器的支撑主体移动
。
该方法包括：将光沿着光路从主体的光出口传送到成像头的光入口，然后使光通过成像头以从成像头发射
。
41.优美地，如上所述，成像头的图像传感器可以由在成像头内从沿光路传送的光的
至少一部分产生的功率供电
。
42.沿着成像头内的光路行进的光可以被过滤以将该光分别分离成用于发电的分量和用于照明的分量
。
光的那些分量中的至少一个分量可以例如在强度上相对于光的那些分量中的另一个分量而变化，以使得能够独立地调节发电和
/
或照明
。
43.本发明的实施方案通过支撑结构将光纵向递送到旋转的内窥镜头
。
光用作将功率递送到用于耳部手术的末端芯片
(chip-on-tip)
内窥镜的机构
。
44.在一些实施方案中，密封的囊体用于保护被设计用于在循环经济系统中拆卸的部件
。
可以提供用于在囊体之间传输光
、
功率或数据的菊花链
。
45.在本发明的另一方面中，一种医疗观测仪器包括：成像头，该成像头由诸如探针的主体支撑并且能够相对于该主体移动，该成像头包括图像传感器和用于照亮该图像传感器的视场的光发射器；光路，该光路从该主体延伸到该光发射器，该光路包括该成像头的光入口，该光入口穿过该成像头与该主体之间的无线接口与该主体的光出口相对；以及光传输器，该光传输器位于该成像头中，该光传输器耦合到该光路以将图像数据从该图像传感器穿过该接口传输到该主体
。
46.优美地，光入口和光出口可以穿过底座相互相对，成像头在该底座处可移动地附接到主体
。
例如，光入口和光出口可以设置在旋转轴线
(
成像头可以绕该旋转轴线相对于主体转动
)
上
。
在紧凑布置中，光发射器可以在平行于旋转轴线的方向上设置在接口与图像传感器之间，位于与旋转轴线径向间隔开的位置处
。
47.上述接口可以进一步包括实现从主体到图像传感器的功率传输的无线功率传输耦合部
。
功率传输耦合部可以例如包括相互相对的线圈，这些线圈中的第一线圈围绕成像头的光入口，并且这些线圈中的第二线圈围绕主体的光出口
。
在替代途径中，成像头可以包括光伏发电机，该光伏发电机用于从穿过接口传输的光为图像传感器供电
。
48.成像头可以进一步包括位于光路中的滤波器，该滤波器被配置成阻挡来自光发射器的反射光并且使从光传输器传输的光通过
。
49.成像头外部的光源可以耦合到光路，以向光发射器提供照明光
。
在这种情况下，光源和图像传感器可以被同步，使得当图像传感器正在捕获图像帧时光源打开，并且当光传输器从图像传感器传输成像数据时光源在图像帧之间关闭
。
50.在成像头外部的图像传感器控制器可以被布置成将控制信号从图像传感器控制器经过接口传送至图像传感器
。
控制信号可以包括与写入信号多路复用的时钟信号
。
51.图像传感器控制器可以例如连接到接口的无线功率传输耦合部，以通过该耦合部将控制信号传送至图像传感器
。
图像传感器控制器可以替代地驱动
led
以将控制信号作为光学控制信号传送至图像传感器
。
在这种情况下，成像头中的光传输器可以响应于光学控制信号
。
52.本发明的概念涵盖一种操作包括能够相对于支撑主体移动的成像头的观测仪器的对应方法
。
该方法包括：通过沿着从主体穿过无线接口的光路将光传送至成像头来照亮成像头的视场；以及沿着光路穿过该接口从成像头向主体光学地传输图像数据
。
53.为了更容易理解本发明，现在将通过举例的方式参考附图，其中：
54.图1是本发明的内窥镜的远端部分的立体图；
55.图2是图1的内窥镜的纵向剖面侧视图；
56.图3对应于图2，但从关于纵向轴线与图2所示的方向正交的方向示出了内窥镜；
57.图4示出了内窥镜的变型，但在其他方面对应于图2；
58.图5是包括图4的变型的内窥镜系统的框图；
59.图6对应于图2，并且示出了本发明的内窥镜可以如何设计成有助于在循环经济系统中重新制造；
60.图7是展示本发明如何应用于循环经济系统中的一系列示意图；
61.图8是用于在图7所展示的方法中使用的托盘的立体图；
62.图9是在图7所展示方法的步骤之一中使用的机器人单元的放大详细视图；
63.图
10a
至图
10d
是用于在本发明的内窥镜中使用的相机模块变型的纵截面侧视图；
64.图
11
是用于使本发明的内窥镜的头旋转的驱动机构的示意性侧视图；
65.图
12a
至图
12g
是图
11
的简化版本，示出了驱动机构如何操作；
66.图
13
至图
18
是本发明的其他实施方案的侧视图，全部以纵向剖面示出；
67.图
19
是探针的远侧部分的纵向剖面侧视图，示出了用于传输数据和功率的光学路径和部件；
68.图
20
是包括图
19
的变型的内窥镜系统的框图；
69.图
21
是以光学方式传递数据并且以非光学方式无线地传递功率的探针的远侧部分的纵向剖面侧视图；
70.图
22a
和图
22b
是呈组装和拆卸形式的图
21
的探针的详细立体图；
71.图
23
是用于图
21、
图
22a
和图
22b
的探针的旋转头组件的分解立体图；
72.图
24
是图
23
所示的旋转头组件的相机模块的放大立体图；
73.图
25
是包括图
21
的变型的内窥镜系统的框图；
74.图
26
是解决双向数据传输的内窥镜系统的框图；
75.图
27
是展示数据复用的图；
76.图
28a
和图
28b
是本发明的内窥镜系统的立体图，该内窥镜系统包括探针组件
、
手柄组件和相机控制单元；
77.图
29
是图
28a
和图
28b
中所示的探针组件的近端的剖开的立体图；
78.图
30a
至图
30f
是一系列立体图，示出了在制造内窥镜中涉及的一些步骤；
79.图
31
和图
32
是展示了用于驱动和管理驱动线缆的运动的机构的纵向剖面的示意图；
80.图
33
和图
34
是展示了用于沿着探针轴将扭矩传输到内窥镜的头的蜗轮机构的立体图；
81.图
35
是展示了用于沿着探针轴向内窥镜的头传递扭矩的混合轴和皮带驱动机构的立体图；
82.图
36
和图
37
是展示了光学多路复用器布置的纵向剖面的示意图；
83.图
38
展示了手术期间主体结构的可视化；
84.图
39
是适用于与图
38
所示的可视化技术一起使用的光学多路复用器布置的纵向剖面的示意图；
85.图
40
是具有光学多路复用器
/
解复用器功能的内窥镜的头内的光导的示意图；
86.图
41
是本发明的另一种内窥镜系统的框图；并且
87.图
42
是图
41
所示的系统的部件的详细框图
。
88.首先参考附图中的图1至图3，内窥镜
10
的远端部分包括呈细长杆
、
轴或探针
12
的形式的主体，该主体支撑旋转成像头
14。
头
14
容纳集成的相机模块
16、
和光发射器
18
，该光发射器设置在相机模块
16
旁边以照亮视场
。
89.探针
12
沿着纵向轴线
20
延伸
。
头
14
围绕旋转轴线
22
相对于探针
12
转动，该旋转轴线相对于纵向轴线
20
正交地延伸
。
相机模块
16
具有相对于旋转轴线
22
径向延伸的视场
。
因此，通过使探针
12
围绕其纵向轴线
20
转动并且使头
14
围绕其旋转轴线
22
转动，可以通过多个视角来对相机模块
16
进行定向
。
在图1中，相机模块
16
和相邻的光发射器
18
被示出为与纵向轴线
20
成
45
°
的角度
。
90.头
14
通常是柱形的，沿着旋转轴线
22
延伸并且关于该旋转轴线旋转对称
。
头
14
由探针
12
的向远侧延伸的悬臂
24
形式的底座支撑以便旋转，从纵向轴线
20
侧向偏移
。
悬臂
24
仅在头
14
的一端或一侧处支撑头
14。
这有利地使头
14
的尺寸在内窥镜
10
的约束直径内最大化，易于组装和拆卸，提供更大的自由度来布置头
14
的内部部件，以及在需要时使头
14
的自由端或侧面可用于额外的侧向成像
。
91.在该示例中，头
14
的旋转由连续驱动线缆
26
驱动，该连续驱动线缆从探针
12
内的驱动机构
(
未示出
)
延伸并且围绕头
14
缠绕
。
驱动线缆
26
被保持在环绕旋转轴线
22
的滑轮凹槽
28
中
、
邻近头
14
的与悬臂
24
邻接的端部
。
头
14
围绕旋转轴线
22
相对于探针
12
的旋转是不受约束的并且因此在该示例中可以超过
360
°
。
92.探针
12
支撑面向远侧的弹性擦拭片
30
，该擦拭片具有平行于旋转轴线
22
延伸的细长自由边缘
。
擦拭片
30
抵靠在头
14
的近侧上
。
当头
14
旋转经过擦拭片
30
时，擦拭片
30
从头
14
清洁碎屑以防止碎屑遮蔽相机模块
16
的视场或阻挡来自光发射器
18
的照明
。
93.虽然此处未示出，但是相机模块
16
的外透镜可以略微凸出于头
14
的外围表面，使得当头
14
转动时，擦拭片
30
仅撞击在外透镜上，而不会在头
14
的剩余圆周上拖曳
。
因此，在擦拭片
30
与头
14
之间可以存在小的径向间隙，除了相机模块
16
的突出的外透镜与在触碰到擦拭片
30
时所产生的间隙进行桥接的地方之外
。
94.在该实施方案中，如现在将解释的，光发射器
18
是沿着探针
12
将光从远程光源传送至头
14
的照明导体或光路的远端
。
这种解决方案考虑到头
14
内的尺寸限制是有利的，并且因为这种解决方案允许例如通过使用不同的光源而更容易地改变光谱，这对于组织识别和其他方面可能是有用的
。
95.与电的传输不同，从探针
12
到头
14
的光传输不需要复杂的接触或密封布置
。
然而，向头
14
内的相机模块
16
提供电功率的问题仍然存在
。
在该实施方案中，解决方案是通过一部分入射光在头
14
内产生必要的功率
。
以这种方式，单个有效的机构避免了密封电接触的问题，并且头中的集成
led
的替代方案更好地解决了在有限空间内提供照明解决方案的挑战
。
所示的机构还有助于上述旋转和清洁方案
。
96.图2和图3的剖视图示出了限定内窥镜
10
内的光传输路径的内部特征
。
97.图2是从垂直于纵向轴线
20
和旋转轴线
22
两者的方向观察的视图
。
这示出了来自外部光源
(
未示出
)
的光在大致平行于纵向轴线
20
的方向上穿过探针
12
中的光学介质
32
向远侧行进
。
在到达探针
12
的远端部分时，光遇到安装在悬臂
24
中的反射镜或优选地棱镜
34。
这引导光沿大致平行于旋转轴线
22
的方向穿过光学介质
36
，以经由悬臂
24
与头
14
之间的接
合部处的滑动接口或间隙进入头
14。
光学介质
36
因此用作光出口，光从该光出口被传送或被传输穿过接口或间隙以撞击在头
14
上
。
98.图2还示出了悬臂
24
包括插塞
38
，该插塞接合在头
14
的互补插口内以支撑头
14
相对于悬臂
24
旋转
。
光学介质
36
在插塞
38
内沿着旋转轴线
22
延伸到悬臂
24
与头
14
之间的接口，从而使光穿过该接口传输到头
14
中
。
在该示例中，插塞
38
与容纳驱动线缆
26
的头
14
的外部中的凹槽
28
大致共面
。
99.从图2中可以明显看出，头
14
还包括位于光发射器
18
后面的光导
40。
方便地，限定接收驱动线缆
26
的滑轮凹槽
28
和接合悬臂
24
的插塞
38
的插口的滑轮部件
42
与光导
40
一体化，例如作为同一部件的一部分或具有封装在外部结构内的内部特征
。
100.光导
40
设置在相机模块
16
与悬臂
24
之间
。
换句话说，悬臂
24、
光导
40
和相机模块
16
沿着旋转轴线
22
相继地设置
。
因此，光导
40
限定了头
14
与悬臂
24
之间的接口的一部分，并且接收来自悬臂
24
的插塞
38
内的光学介质
36
的光
。
光导
40
因此用作头
14
的光入口，该光入口接收从悬臂
24
的光出口穿过位于悬臂
24
与头
14
之间的接合部处的接口或间隙传送或传输的光
。
101.在进入头
14
时，入射光被光导
40
分成两个部分
。
第一部分光入射在光导
40
的反射镜或优选地棱镜
44
上并且由此被径向地重定向而远离旋转轴线
22。
因此被重定向的该第一部分光然后通过光导
40
的光学介质被传送至光发射器
18
，在该光发射器处，光离开头
14
以照亮相机模块
16
的视场
。
102.第二部分光被引导通过光导
40
以撞击在光伏电池
46
上，该光伏电池由此产生用于相机模块
16
的电子部件的电功率
。
在该示例中，光伏电池
46
被方便地集成到相机模块
16
中，但是原则上，光伏电池
46
可以与相机模块
16
分离
。
103.现在还参考图3，该图是在穿过相机模块
16
的纵向剖面中从与纵向轴线
20
正交的方向并且沿着旋转轴线
22
看的视图
。
这表明相机模块
16
优选地具有堆叠构造
。
具体地，相机模块
16
适当地包括商业上可获得的图像传感器
48
，透镜镜筒
50
和透镜
52
安装到该图像传感器上
。
图像传感器
48
具有
bga(
球栅阵列
)
连接部，这些连接部电连接到功率
ic(
集成电路
)54
以将功率传送至图像传感器
48
并传送来自图像传感器
48
的图像数据
。
图像传感器
48
可以包括图像处理电路，在这种情况下，可以需要较少的连接部来将图像数据传输到电源
ic 54。
104.功率
ic 54
优选地包括光伏电池
46
和为图像传感器
48
供电的功率控制电路以及在数据
ic 56
上实施的无线数据传输电路系统
。
电源
ic 54
还将数据从图像传感器
48
传递到数据
ic 56。
数据
ic 56
优选地包括天线和电路系统，以按照无线传输协议的要求在分组中传输数据
。
105.为了最小化无线数据传输所需的功率，相机模块
16
的数据
ic 56
方便地在非常短的范围上将来自图像传感器
48
数据在该示例中传输到位于探针
12
中靠近探针
12
的远端的无线接收器
58。
106.现在转到图4，其示出了图1至图3中所示的实施方案的变型，其中，相同的附图标记用于相同的特征
。
该变型的不同之处在于添加了应用于头
14
的光导
40
内的棱镜
44
的滤波器或滤波器层
60。
在该变型中，相机模块
16
由被调谐或过滤到特定波长或光谱
(
优选地在可见光谱之外
)
的光供电
。
滤波层
60
允许特定的光通过到达相机模块
16
的光伏电池
46
，同时使剩余的光偏转以经由光发射器
18
提供照明
。
这允许例如通过改变所供应的光的一个分量相
对于该光的另一个分量的强度或其他参数来独立地控制传输到相机模块
16
的功率和用于照亮目标区域的可见光
。
更一般地，光的过滤可以在头
14
或探针
12
内部或外部进行
。
107.图5是包括图4中所示的内窥镜
10
的内窥镜系统
11
的框图，其中，功率从探针
12
光学地传递到头
14
，并且数据使用
rf
从头
14
无线地传递到探针
12。
还如图
27(a)
和
27(b)
所示，内窥镜系统
11
包括可移除地附接到探针
12
的手柄
13
和通过电缆
17
可移除地耦接到手柄
13
以对手柄
13
和内窥镜
10
进行供电和控制的相机控制系统
15。
为此目的，相机控制系统
15
包括嵌入式计算机
19。
108.手柄
13
包括步进马达
21
，该步进马达激活探针
12
内的驱动机构以驱动头
14
绕图4所示的旋转轴线
22
旋转
。
手柄
13
还包括呈接收天线
58
形式的无线接收器，该无线接收器向
rf
解调器
23
提供信号
。
解调器
23
进而经由线缆
17
将信号返回到相机控制系统
15
的嵌入式计算机
19。
线缆
17
还向近红外光源
25
和发射白光的
led 27
供电
。
光源
25
的输出和
led 27
的输出由光纤耦合器
29
组合，并且经由用作光导
40
的前述光学介质馈送通过探针
12
，然后经由棱镜
34
馈送到头
14。
在头
14
中，通过滤波层
60
实现光谱分裂，由此白光被引导到光发射器
18
，并且近红外波长经由棱镜
44
被引导到相机模块
16
的光伏电池
46。
109.在该示例中，相机模块
16
的光伏电池
46
向组合前述功率
ic 54
的功能和数据
ic 56
的功能的专用集成电路
(asic)31
供电
。asic 31
包括功率调节器
33、
具有时钟功能的控制单元
35、
以及从图像传感器
48
接收信号并将信号馈送到发射天线
39
的
rf
调制器
37。
110.图6示出了图1至图3的实施方案如何具有有助于在循环经济系统中重新使用关键部件的特征
。
再一次，相同的附图标记用于相同的特征部
。
类似的构造原理可以应用于其他实施方案，诸如图4所示的实施方案
。
111.考虑到上述朊病毒污染的问题，限定可能与有机材料接触的内窥镜
10
的外表面或其他表面的任何结构都不能被重复使用并且必须从装置中移除，同时维持未被污染的内部部件的完整性
。
为此目的，内部部件被封装
。
这确保了一旦内窥镜
10
已经被成功地拆卸并且封装已经被移除，将被重复使用的内部部件就不会在重新组装期间或者在该装置发生故障以及这些部件在手术期间暴露的情况下污染其他部件
。
112.如图6所示，包括集成相机模块
16
和光导
40
的内部特征部
(
诸如棱镜
44)
的头
14
的主要有源部件被封装以在这些内部部件周围形成气密密封
。
具体地说，相机模块
16
由护罩
62
封装，并且如上所述，光导
40
与也限定滑轮凹槽
28
和插塞
38
的部件集成或牢固地封装到该部件中
。
113.护罩
62
在平面接头
64
处与光导
40
对接，以将头
14
组装为单个囊体
。
光导
40
与护罩
62
之间的密封通过包覆成型或可选地通过粘结
、
焊接或压缩形成
。
光导
40
和护罩
62
内的部件同样被包覆成型或可选地胶合
、
焊接或使用压缩配合以其他方式封装
。
114.围绕头
14
与接头
64
对准的凹槽
66
产生弱化线，在该弱化线处，封装可以被破坏以便以受控方式分离光导
40
和护罩
62
以移除内部的受保护的部件
。
更一般地，凹槽
66
例示了拆卸接口，在该拆卸接口处，相机模块
16
能够优先地与头
14
的其他部分
(
诸如光导
40
和
/
或光发射器
18)
分离
。
在该示例中，凹槽
66
在头
14
的外部，但是可选地，弱化线或弱化点可以限定在头
14
内
。
可选地，例如在凹槽
66
不围绕头
14
的整个圆周延伸的情况下，可以将凹槽
66
成形为提供用于囊体的受控打开的铰链
。
115.图6还示出了在切割线下方嵌入头
14
内的较硬材料的可选条或带
68
，例如如所示
出的位于凹槽
66
下方
。
这允许激光或刀切入到头
14
中，同时在切割过程期间保护头
14
的内部部件
。
例如，激光可切入到头
14
的塑料囊中以将其打开或弱化，同时通过位于切割部位下方的金属带
68
防止穿透到囊体的内部
。
116.有利地，头
14
的囊体可以通过向其外表面施加弯曲或扭转力以撕裂
、
裂开或破坏囊体来打开
。
可选地，该动作可以指向如上所述的预定的弱化线或点和
/
或可以在向囊体施加切口或划痕作为预备步骤之后进行
。
理想地，所需的力以受控且可重复的方式
(
例如，通过使用机械臂
)
施加到囊体的外表面
。
117.确认头
14
的囊体在使用期间维持其完整性对于确定该囊体内的部件是否可再次使用是重要的
。
在拆卸过程中，可以目视检查，也可以通过施加应变或彩色模具或扫描频率来观察裂纹或检查共振
。
替代地或另外地，可以将液体或气体压力施加到囊体的外表面
。
如果囊体失效，则加压囊体中的空隙或凹坑将充满流体
。
可选地，测试可以是用压差进行的气泡泄漏测试的形式
。
这可以通过视觉监测或通过监测压力来检测
。
118.后面将参考附图中的图
30a
至图
30f
描述具有封装部件的内窥镜
10
的制造
。
119.图7例示了本发明可以如何应用于循环经济系统中
。
在这方面，重要的是在使用之后保护关键部件的完整性并将其返回
。
因此，需要强有力的逆向物流和供应链管以及集中的产品设计和拆卸
/
重组流程
。
120.图7示出了从无菌可重复使用的托盘中取出本发明的内窥镜
(1)
，将该内窥镜连接到监视器或相机控制单元
(2)
并且用于耳部手术
(3)。
在使用之后，将内窥镜放回到原始托盘中
(4)
，但是用于供应内窥镜或让内窥镜返回的托盘可以替代地是一次性使用的
。
121.图8示出了可重复使用的托盘
70
的示例
。
在图7的步骤
(5)
中，用户从返回密封件
72
拉动保护背衬，然后围绕内窥镜
10
重新密封托盘
70
，方便地使用原始覆盖膜来封闭托盘
70
的开口顶部
。
有利地，用户可以首先用水填充托盘
70
，从而激活托盘
70
中的水溶性洗涤剂囊体
74。
洗涤剂启动清洁过程，使内窥镜
10
上明显的生物物质和碎屑松动
。
122.回到图7，然后将托盘
70
放置在提供给各个医院的贮存器中
(6)。
贮存器可以提供地理位置和库存数据
。
当贮存器已满或接近满时，会产生警报
(7)
，致使贮存器被运输
(8)
到专门的拆卸单元
(9)。
这减轻了医院清洁和废弃物管理的负担并且消除了不良消毒的风险
。
123.全球产品识别系统允许对产品和部件进行单独序列化和安全跟踪以及作为退货过程的一部分验证这些物品的真实性
。
这使得能够稳健地实施智能
kanban(
精简调度
)
系统，在该系统中，可以使用本地分配器将内窥镜输送到拆卸单元
。
124.有利地，拆卸单元可以是机器人单元，其尺寸使运输容易
。
设定数量的此类单元可以装入标准运输容器中，或者单元可以在运输容器中实施
。
此类单元可以作为逆向物流系统的关键部分在地区或全国范围内放置
。
125.因此，从医院直接递送的被分类为医疗废弃物的用过的内窥镜可以被供给到用作拆卸单元的机器人单元中
。
内窥镜的初始拆卸是用拾取和放置机器人自动化的，以保护人员
。
机械臂打开和拆卸内窥镜
(10)
并将部件分类为：用于再循环的部件
(11)
；在循环经济系统中重复使用的部件
(12)
；要焚化的废弃物和可生物降解的材料
。
126.在循环经济系统中重复使用的部件不再被归类为医疗废弃物，并且可以在国际上运输
(13)
到循环生产设施，在该循环生产设施处重新制造内窥镜
(14)。
这种解决方案避免了部件在仍被分类为医疗废弃物的情况下在国际上运输时必须克服的许多监管挑战
。
127.对每个内窥镜进行严格的测试以确保其满足与原始内窥镜的安全性和无菌性相当的标准并且被包装以备再销售
(15)。
128.图9示出可用于图7的步骤
(10)
中的拆卸单元的机器人单元
76。
在该示例中，空气通过端口
78
从单元
76
抽出，以在内窥镜
10
被机械臂
80
拆卸期间向该内窥镜施加部分真空
。
这是为了阻止诸如朊病毒的颗粒从内窥镜
10
的外表面转移到其内部受保护的部件
。
真空可以是局部的或瞬态的，或者整个拆卸过程可以在低压环境中进行
。
替代地，为了相同的目的，层流或其他空气流可以被施加到机器人单元
76
内的内窥镜
10。
129.转到图
10a
至图
10d
，这些图示出相机模块
16
的变型，这些相机模块各自具有至少两个透镜元件
82
，这些透镜元件中的至少一个安装在微机电系统
(mems)
致动器
84
上并且可由这些致动器移动
。
这使得透镜元件
82
能够彼此独立地或以可折叠方式移动
。
可选地，所展示的
mems
致动器
84
的布置可以在所有透镜元件
82
上复制
。mems
致动器
84
也可以以类似的方式作用于相机模块
16
的透镜光圈
86。
130.图
10a
和图
10b
中示出了三个纵向间隔的透镜元件
82
的透镜组
88。
纵向作用的外围定位的
mems
致动器
84l
作用在每个透镜元件
82
上以改变这些透镜元件
82
之间的纵向间隔
。
这种效果从图
10a
与图
10b
的比较中是明显的；前一个图示出了纵向伸展的透镜组
88
，而后一个图示出了纵向收缩的透镜组
88。
在该示例中，透镜元件
82
以手风琴方式相对于彼此移动，并且因此透镜元件
82
的纵向位置是相互依赖的
。
131.图
10a
和图
10b
还示出了至少一个透镜元件
82
可以具有另外的
mems
致动器
84r
，这些致动器径向地起作用以保持透镜元件
82
或者更一般地保持透镜组
88
对准
。
原则上，类似的
mems
致动器
84r
也可以作用在透镜光圈
86
上
。
132.在图
10a
和图
10b
中，当透镜元件
82
纵向移动时，它们保持平行并且在公共纵向光轴
90
上相互对齐
。
相反，图
10c
中所示的变型展示了如何能够独立地控制透镜元件
82
的相对的两侧上的
mems
致动器
84
，例如通过使一侧上的
mems
致动器
84l
延伸并且使另一侧上的
mems
致动器
84l
缩回
。
这使得至少一个透镜元件
82
相对于光轴
90
并且相对于至少一个其他透镜元件
82
倾斜
。
类似地，使一侧上的
mems
致动器
84r
延伸并且使另一侧上的
mems
致动器
84r
缩回将导致至少一个透镜元件
82
相对于光轴
90
并且相对于至少一个其他透镜元件
82
横向移动
。
133.这些枢转和平移运动可用于操纵或操控包含复杂非对称透镜的透镜组
88
，从而允许以对于简单透镜不可能的方式重新聚焦
。
例如，透镜元件
82
的横向移位可以将不同的光学形状带到光轴上，从而使光学系统重新聚焦
。
134.在图
10d
所示的变型中，透镜组
88
包括两个透镜元件
82。
透镜元件
82
经由
mems
致动器
84l
独立地悬挂并且因此能够相对于彼此独立的周围镜筒结构移动
。
也可以以类似方式安装透镜光圈
86。
同样，可以提供类似上述的枢转运动和
/
或平移运动
。
135.接下来转向图
11
和图
12a
至图
12g
，这些图示出了用于相对于内窥镜
10
的探针
12
转动头
14
并且因此转动相机模块
16
和光发射器
18
的定向或驱动机构
92。
驱动机构
92
位于探针
12
的远端附近并且采用例如可使用
mems
致动器提供动力的滑动指状部或棘爪
。
136.具体地，驱动机构
92
具有棘轮和棘爪布置，该棘轮和棘爪布置包括棘轮
94
，该棘轮例如同轴地耦接到头
14
以用于直接驱动或经由前述实施方案的驱动线缆
26
耦接到该头
。
驱动机构
92
还包括一对相对的棘爪
96
，这些棘爪可作为链或运动序列的一部分移动，以与棘
轮
94
接合并向其施加扭矩，从而驱动并控制棘轮
94
的角度步进运动
。
137.为此目的，每个棘爪
96
可通过相应的致动杆
98
和联动装置
100
移动，以与棘轮
94
接合和脱离接合并且当这样接合时向棘轮
94
施加扭矩
。
从每个联动装置
100
延伸的连接臂
102
由该联动装置
100
的运动驱动以作用在相对的棘爪
96
的联动装置
100
上
。
以这种方式，将一个棘爪
96
延伸以沿特定角方向推进棘轮
94
，这使另一棘爪
96
从棘轮
94
释放以释放棘轮
94
以进行该移动
。
138.图
11
示出了沿相反角度方向转动棘轮
94
所需的完整的驱动机构
92。
然而，为了便于理解，图
12a
至图
12g
省略了致动杆
98、
联动装置
100
和臂
102
中的一者，以展示棘轮
94
的单向角运动
。
然而，将清楚的是，从图
12a
至图
12g
中省略但在图
11
中示出的这些特征部如何能够用于使棘轮
94
沿相反方向转动
。
139.图
12a
至图
12g
中所示的操作顺序如下
。
首先，在图
12a
所示且对应于图
11
的静止位置，两个棘爪
96
都与棘轮
94
接合以阻止头
14
相对于探针
12
的角运动
。
140.图
12b
示出了棘爪
96
中的一个棘爪的致动杆
98
沿着切向轴线朝向棘轮
94
被纵向地驱动，该切向轴线从棘轮
94
的中心横向地偏移
。
最初，该运动使联动装置
100
相对于致动杆
98
和棘爪
96
枢转
。
联动装置
100
的这种枢转运动使附接到联动装置
100
上的臂
102
朝向并抵靠相对的棘爪
96
运动
。
臂
102
的这种运动使相对的棘爪
96
从棘轮
94
脱离，从而释放棘轮
94
进行运动
。
141.然后，棘轮
94
的顺时针运动由棘爪
96
的进一步纵向运动驱动，该棘爪经由联动装置
100
耦接到致动杆
98
，如图
12c
和图
12d
所示
。
142.接下来，如图
12e
所示，致动杆
98
到达其纵向行程的端部并且开始沿相反的纵向方向返回
。
最初，该返回运动使联动装置
100
沿相反方向枢转，从而拉动臂
102
远离相对的棘爪
96。
这允许相对的棘爪
96
重新接合棘轮
94
，因此阻止棘轮
94
的角运动
。
然后，图
12f
示出致动杆
98
进一步缩回，因此使耦接到联动装置
100
的棘爪
96
从棘轮
94
脱离接合
。
致动杆
98
的进一步缩回逆时针拉动棘爪
96
，从而滑动跨过棘轮
94
的至少一个齿以在相对逆时针位置处重新接合棘轮
94
，如图
12g
所示
。
143.如果棘轮
94
要沿顺时针方向进一步转动，则致动杆
98
现在准备重复其纵向行程
。
替代地，如图
11
所示，如果棘轮
94
被保持在固定的角位置或者通过致动杆
98、
与相对的棘爪
96
相关联的联动装置
100
和臂
102
的对应操作而沿逆时针方向被驱动，则致动杆
98
可以保持静止
。
144.图
13
示出了本发明的另一实施方案，其中，相同的附图标记再次用于相同的特征部
。
在该实施方案中，头
14
不是从探针
12
悬臂伸出的，而是由从探针
12
向远侧延伸的一对侧向间隔开的平行臂
104
支撑成围绕旋转轴线
22
转动并且在这对侧向间隔开的平行臂之间转动
。
145.同样，头
14
包含并封装相机模块
16
并且支撑至少一个光发射器
18
，该光发射器被定位用于照亮相机模块
16
的视场
。
在该示例中，存在至少两个光发射器
18
，相机模块
16
的每一侧各一个光发射器
。
146.可选地，如该示例中所示，光从沿着探针
12
延伸的平行纵向光路
106
被引入到头
14
中
。
通过相应臂
104
中的反射镜
、
光导或棱镜
34
将光从那些光路
106
重新导向头
14
，该反射镜
、
光导或棱镜与旋转轴线
22
对准并围绕头
14
相互相对
。
因此，光沿着旋转轴线
22
从相对的
两侧进入头
14。
从那里，诸如头
104
内的光纤的光导
108
将光传送至相应的光发射器
18。
147.在该示例中，相机模块
16
可以通过常规手段
(
诸如滑动触点或电磁感应
)
供电
。
然而，很明显，图
13
中所示的相机模块
16
可以由光伏装置供电，该光伏装置使用进入头
14
的光的一部分，例如，使用一个或多个介于相机模块
16
与至少一个臂
104
之间的光导，像图1至图3的实施方案那样
。
148.同样，可以提供有助于在循环经济系统中对头
14
进行机器人拆卸的特征部，诸如弱化线，在弱化线处，可以切割或拆开头
14
以接近封装在其中的可回收或可重复使用的部件
。
149.转到图
14、
图
15
和图
16
，这些附图示出了本发明的呈内窥镜形式的实施方案，该内窥镜类似于传统的内窥镜
。
150.在图
14
的内窥镜
10
中，管状囊体
110
的端部用透镜或透明端盖
112
封闭，以封装棒形透镜组件
114。
棒形透镜组件
114
包括在管状外壳
118
内的棒形透镜
116
的纵向阵列，该管状壳体可以例如是不锈钢的
。
棒形透镜组件
114
的金属壳体
118
为内窥镜
108
的纵轴提供刚度，注意，囊体
110
是可以由聚合物成型的一次性使用部件
。
151.囊体
110
的侧向延伸部还容纳并支撑但不封装平行于棒形透镜组件
114
延伸的光纤
120。
光纤
120
在内窥镜
10
的远端处终止于与囊体
110
的远端帽
112
相邻的光发射器中
。
远端帽
112
用作内窥镜
10
的远端透镜
。
152.囊体
110
在其近端附近被限定用于受控拆卸的弱化线的凹槽
122
环绕，由此近端帽
112
可以从囊体
110
移除或铰接离开
。
这允许将棒形透镜组件
114
从囊体
110
中移出并重复使用
。
例如，可以将远端帽
112
向近侧压入到囊体
110
中，以将棒形透镜组件
114
向近侧推出囊体
110。
如果近端帽
112
还没有被移除或打开，则该伸缩动作也可以断开或以其他方式打开近端帽
112。
优选地，端帽
112
与棒形透镜组件
114
纵向间隔开，以确保棒形透镜组件
114
在从囊体
110
移除期间不被损坏
。
153.囊体
110
由结构性支撑件
124
支撑，该支撑件围绕并覆盖囊体
110
的近端
。
凹槽
122
位于支撑件
124
内，因此该支撑件保护囊体
110
的被凹槽
122
弱化的近端
。
因此，当需要接近棒形透镜组件
114
时，必须从支撑件
124
移除囊体
110。
然后保持囊体
110
以便将在棒形透镜组件
114
上施加均匀的力，之后在凹槽
122
的近侧上施加力以撕裂囊体
110。
154.支撑件
124
还保持近侧透镜
126
与棒形透镜组件
114
对准并且限定用于将光源耦合到光纤
120
的连接器
128。
支撑件
124
优选地由生物材料制成
。
可选地，光纤和近侧透镜也可以以类似于棒形透镜组件
114
的方式封装
。
155.图
15
和图
16
所示的内窥镜
10
也类似于传统的内窥镜，具有光纤光导照明，但在这种情况下，这些内窥镜的远端各自具有集成的封装相机模块
16
，以提供末端芯片解决方案
。
156.优选地，如所示出的，相机模块
16
包括可从内窥镜
10
的近端控制的可变焦距透镜
。
例如，相机模块
16
的图像传感器前面的物镜
130
将允许通过改变这些物镜之间的距离来对相机模块
16
聚焦
。
157.靠近每个内窥镜
10
的近端的单独的封装控制模块
132
控制相机模块
16
的聚焦并且从相机模块
16
接收图像数据
。
在图
15
中，控制模块
132
从靠近相机模块
16
定位的天线
134
接收数据，以从相机模块
16
无线地接收该数据
。
相反，在图
16
中，控制模块
132
具有到相机模块
16
的有线数据连接部
。
158.相机模块
16
的聚焦可以方便地由作用在控制模块
132
上的近侧旋钮
136
控制
。
在这些示例中，旋钮
136
与控制模块
132
相互作用而在这两者之间没有物理接触
。
为此目的，旋钮
136
具有参考标记
138
，由此控制模块
132
的传感器
140
可以监测旋钮
136
的运动
。
159.在图
15
和图
16
的内窥镜
10
中，管状轴或探针
12
用作结构元件以及用作光导
。
如所示出的，光通过内部反射沿着探针
12
传送，以从探针
12
的围绕相机模块
16
的远侧末端出射
。
在图
15
的实施方案中，其中一些光可以经由光伏电池为相机模块
16
供电
。
在图
16
的实施方案中，相机模块
16
可以直接由到控制模块
132
的有线连接部供电
。
160.经由耦接到图
15
和图
16
中的内窥镜
10
的连接器
144
的线缆
142
进行到控制模块的功率和数据连接
。
在图
15
中，线缆
142
还包括光纤
146
，以将来自远程光源
(
未示出
)
的光经由连接器
144
馈送到探针
12
的光导中
。
相反，在图
16
中，线缆
142
向内窥镜
10
内的板载光源提供电功率，这里以将光馈送到探针
12
的光导中的
led 148
为例
。
161.接下来转向图
17
，该实施方案的内窥镜
10
具有包围光纤
150
的柔性管状探针
12、
无线通信模块
152、
和被配置为使柔性探针
12
沿着其长度弯曲的转向线
154。
探针
12
还容纳工作通道，该工作通道终止于探针
12
的远侧末端处的头部件
158
中的出口开口
156。
162.除了限定用于探针
12
的工作通道的出口开口
158
之外，头部件
158
封装相机模块
16
，引导来自光纤
150
的照明并且为在转向线
154
的远端处的插头
160
提供保护锚
。
一些光纤
150
被引导以照亮向相机模块
16
提供电功率的光伏电池
。
与探针
12
和手柄结构
162
相结合，头部件
158
还维持对内窥镜
10
的内部部件的保护以免污染物进入
。
163.手柄
162
包括控制元件
164
以在控制元件
164
与封装在手柄
162
内的内部机构
166
之间没有直接物理相互作用的情况下操纵转向线
154。
为此目的，机构
166
的传感器
168
监测控制元件
164
上的参考标记
170
的运动，使得机构
166
通过将转向线
154
推或拉至期望的程度来响应这种运动
。
可选地，机构
166
由马达辅助或提供动力
。
弱化点
172
可以被提供用于手柄
162
的受控拆卸，以取出封装机构
166
供重复使用
。
164.在图
18
的变型中，省略了图
17
的传感器
168
和参考标记
170。
相反，控制元件
164
通过在内部机构
166
与内窥镜
10
的外部之间提供无菌屏障的柔性膜
173
与内部机构
166
相互作用
。
165.现在转到图
19
至图
27
，这些图示出了用于为头
14
的部件供电以及用于从头
14
接收数据的各种其他无线布置
。
166.在图
19
中的纵向剖面和图
20
中的框图所示的变型中，功率和数据以光学方式传送至头
14
和从该头传送
。
为此目的，在图
18
中示出了数据传输
led 174
，其将数据信号作为光传输到头
14
中的棱镜
44
，该棱镜将该光转向到探针
12
中的棱镜
34
并从该棱镜进入光导
32。
167.图
20
的框图中示出的布局和部件类似于图5的框图中的布局和部件，并且相同的标号用于相同的特征部
。
为简洁起见，以下描述将集中于相对于图5的主要差异
。
168.在图
20
的相机模块
16
中，图5的
rf
调制器
37
和发射天线
39
由
asic31
中的光学调制器驱动器
176
代替，该光学调制器驱动器将数据信号馈送到传输
led 174。
169.在该示例中，近红外源
25、
白色
led 27
和光纤耦合器
29
在相机控制单元
15
中实施
。
因此，在这里，耦合器
29
经由通过手柄
13
延伸到探针
12
的光缆
178
耦合到探针
12
中的光导
32。
光缆
178
不仅向头
14
传送光，而且经由光导
32(
例如，经由所示的耦合器
29)
接收来自头
14
的
led 174
的光
。
光缆
41
将接收到的光传送至相机控制单元
15
中的光学接收器
180。
用于来自
led 174
的光学数据传输的波长不同于白光传输的波长，使得其可以由光学接收器
180
区分和检测
。
光学接收器
180
将所得信号馈送到相机控制单元
15
中的嵌入式计算机
19。
170.虽然在该示例中光学接收器
180、
近红外光源
25、
白色
led 27
和光纤耦合器
29
在相机控制单元
15
中实施，但是它们中的任一者或全部可以替代地在头
14
以外的其他地方
(
诸如在手柄
13
中或在探针
14
中
)
实施
。
171.在图
21
至图
27
所示的变型中，如在前述实施方案中那样，数据从头
14
光学地传送，而功率通过非光学手段
(
诸如通过
rf
或通过近场感应耦合
)
无线地传递到头
14。
后一种可能性在图
21
中展示，其中，功率在相互面对的线圈
182
之间感应地传输，这些线圈环绕探针
12
的插塞
38
，头
14
相对于该插塞转动
。
一个线圈
182
位于探针
12
上，而相对的线圈
182
位于头
14
上
。
172.探针
12
的线圈
182
连接到电功率线缆
17
，该功率线缆沿着探针
12
平行于光导
32
延伸
。
光导
32
在出站路径
184
上将照明光传送至头
14
的光发射器
18。
光导
32
还在入站路径
186
上传送携带来自头
14
的数据传输
led 174
的数据信号的光
。
173.图
21、
图
22a
和图
22b
还示出了可移除的盖插入件
188
，该盖插入件通过插入件
188
上的插塞
190
在探针
12
上的互补插口
192
内的接合而保持在探针
12
上
。
插入件
188
将诸如擦拭片
30
的清洁模块保持在与探针
12
一体的容器
194
中
。
插入件
188
还具有凹形轮毂支承型构
196
，该凹形轮毂支承型构接合在头
14
的外侧上的以旋转轴线
22
为中心的互补的凸形台肩型构
198
，与插塞
38
相对
。
因此，插入件
188
提供了擦拭片
30
到探针
12
上的组装以及头
14
从探针
12
的移除
。
插入件
188
还支撑擦拭片
30
和组装好的探针
12
中的头
12。
相反，插入件
188
有助于拆卸以用于循环制造
。
174.图
22a
和图
22b
示出了驱动线缆
26
如何能够在滑轮凹槽
28
内缠绕头
14。
在该示例中，驱动线缆
26
转过约
540
°
，包括围绕头
14
的一个
360
°
的全周向环加上驱动线缆
26
的切向支腿从滑轮凹槽
28
向近侧延伸到探针
12
中的点之间的近似半周向圈
(
因此名义上为
180
°
)。
因此，驱动线缆
26
围绕头
14
缠绕一次
180
°
圈，然后缠绕两次
360
°
圈
。
175.在另一示例中，驱动线缆
26
可以不围绕头
14
的完整环，在这种情况下，驱动线缆
26
将简单地围绕头
14
缠绕或弯曲一次约
180
°
的近似半周向圈
。
在其他示例中，驱动线缆
26
可以以绞盘的方式环绕头
14
两次或更多次
。
例如，可以存在两个全环，每个环为
360
°
或两个环合计为
720
°
，这意味着驱动线缆
26
总共转过约
900
°
。
同样，这包括约
180
°
的近似半圆周圈，以允许驱动线缆
26
与滑轮凹槽
28
会聚并且允许驱动线缆
26
与该滑轮凹槽偏离
。
176.图
23
示出了头
14
的部件的示例性组件
。
在该示例中，除了与光导
40
协作以将相机模块
16
定位在相机壳体
202
中的轴结构
204
之外，滑轮壳体
200
和相机壳体
202
包围并夹住相机模块
16
和光导
40。
该组件还包括相机壳体
202
中的槽
206
，该槽接收窗口
208
，该窗口用于允许光到达相机模块
16。
177.在优选的顺序中，相机模块
16
首先与窗口
208、
光导
40
和轴结构
204
组装在一起，该窗口
、
该光导和该轴结构优选地各自被设计为将相机模块
16
夹持或定位在它们之间
。
然后将滑轮壳体
200
添加到组件，接着添加相机壳体
202。
滑轮壳体
200
围绕光导
40
的柱形突起
210
放置，并且光导
40
接合在滑轮壳体
200
中的槽
212
中
。
这种接合锁定滑轮壳体
200
，防止其相对于组件的其余部分发生角运动
。
178.滑轮壳体
200
和相机壳体
202
替代地通过包覆成型工艺或通过粘合剂的低压注射成型而形成在组件的其他部件上，如将参考图
30a
至图
30f
描述的
。
179.相机模块
16
在图
24
中更详细地展示，该图示出了透镜
52、
图像传感器
48、asic 31
及其功率调节器
33、
数据传输
led 174、
以及包括头
14
的线圈
182
的功率柔性线缆
214。
功率柔性线缆
214
在图
23
和图
24
中被示出为处于初始位置，在该初始位置中，功率柔性线缆被向上弯曲以将线圈
182
以
90
°
放置到其组装之后的最终位置
。
在该最终位置，功率柔性线缆
214
向下弯曲，如图
24
中的虚线箭头所示，使得线圈
182
平行于滑轮壳体
200
中的周向凹槽
28
的平面而位于光导
40
的柱形突出部
210
上方
。
180.图
25
的框图中所示的布局和组件类似于图
20
的框图中的布局和组件，并且相同的标号用于相同的特征部
。
与图
20
的主要区别在于提供了实现从探针
12
到头
14
的功率传输的线圈
182。
探针
12
的线圈
182
在这里被示出为连接到也为步进马达
21
供电的功率线缆
17。
相反，头
14
的线圈
182
被示出为连接到
asic 31
的功率调节器
33。
181.由于提供给头
14
的仅有的光是为了照明的目的，并且由于现在通过其他手段向头
14
供电，所以省略了图
20
的近红外光源
25。
然而，从数据传输
led 174
发射的光仍然经受到在
60
处的光谱分裂或滤波
。
这是为了减少光从光发射器
18
沿着光导
32
返回的反射，否则该反射会干扰光接收器
180
在反射光与来自
led 174
的数据信号之间进行区分的能力
。
182.图
25
的框图与图
20
的另一个区别在于，光接收器
180、led 27
和光纤耦合器
29
从相机控制单元
15
返回到手柄
13。
183.为了进一步帮助光学接收器
180
将数据信号与可以沿着光导
32
从探针
12
或头
14
反射回来的光区分开，发射白光的
led 27
的照明可以与图像传感器
48
的帧速率同步
。
特别地，
led 27
的照明可以仅在图像传感器
48
拍摄帧图像时开启并且因此在帧之间的间隔中关闭
。
可以使用
led 27
的照明被关闭的间隔周期来传输光学数据而没有信号重叠，从而使得信号处理更容易
。
不仅可以在图
21
至图
25
中所示的布置中，而且可以在数据被光学地传输的任何布置
(
包括图
19
和图
20
的布置
)
中进行类似的设置
。
184.更一般地，现代电子器件中使用的技术规定，从图像传感器
48
到相机控制单元
15
的单向数据传输并不总是一种选择，因此可能需要双向数据通信的元件
。
在这方面，图
26
发展了图
25
的布置以解决双向数据传输
。
这里，如前所述，使用光导
32
将数据传输回相机控制单元
15
，但是无线功率传输电路系统具有不仅传输功率而且向图像传感器
48
传输数据的双重目的
。
该数据
48
呈时钟信号和串行外围接口
(spi)
控制信号的形式，即，
spi
写入信号
。
相机模块
16
的
asic 31
包括滤波器
216
，该滤波器在
218
处的时钟信号与
220
处的
spi
控制信号之间进行区分
。
185.由于功率传输电路系统仅提供一个信道，因此使用信号复用
。
具体地说，为了传输时钟信号和
spi
写入数据，信道必须传输至少三个不同的信号幅度电平，诸如0％
、50
％和
100
％
。
时钟信号由该信号的低部分的0％振幅和该信号的高部分的
50
％振幅表示
。
对于
spi
写入数据传送的短周期，
100
％振幅水平用于编码“具有高
spi
写入数据信号的高时钟”，而
50
％振幅水平编码“具有低
spi
写入数据信号的高时钟”。
这等效于通过
spi
写入数据信号对时钟信号的幅度调制
。
186.复用原理在图
27
中展示，其中，时钟信号
218
和
spi
控制信号
220
被组合成复用信号
222。
由于
spi
写入数据信号的比特持续四个时钟周期，所以调制是简单的
。
187.针对功率传输提出感应耦合，其中，一对耦合线圈
182
用于与时钟信号
218
和
/
或其他信号一起电磁地传送功率
。
功率可以由能量采集器芯片采集，然后使用功率调节器来调节以驱动内窥镜
10
的一次性侧上的相机模块
16。
双面柔性
pcb
平面线圈
218
可以用于功率信号的传输和接收
。
线圈
218
中的圈数例如可以是每侧四圈至八圈
。
接收器线圈
182
还可以具有在光导
40
的柱形突出部
210
上的一个或更多个绕组以改善功率及相关联信号的感应接收
。
188.返回到图
26
，该图进一步详细说明了在此上下文中的相机控制单元
15
的功能
。
响应于嵌入式计算机
226
的图像信号处理芯片
224
驱动在图像传感器配套芯片
230
上实施的
spi
控制器
228。spi
控制器
228
将
spi
写入数据馈送到为探针
14
的线圈
182
供电的电缆
17。
图像传感器配套芯片
230
还实施时钟
232
，该时钟的信号也被馈送到线缆
17
，与由
spi
控制器
228
生成的
spi
写入数据复用
。
189.在另一变型中，
led 174
可以在两个方向上作用，既传输又接收光学数据
。
这允许
spi
控制信号
220
被光学地传输到旋转头
。
190.计算机
226
还驱动
led
控制器
234
，该控制器进而控制
led 27
产生照亮白光
。
相反地，光解调器
236
接收并解调来自光接收器
180
的信号并且将这些信号的输出经由模数转换器
238
和并行移动工业处理器接口
240
馈送到图像信号处理芯片
224。
191.接下来转向图
28a
和图
28b
，这些图举例说明了本发明的内窥镜系统
11
，该内窥镜系统包括三个主要部件，即：探针组件
12
，该探针组件包括位于轴
242
的远端处的旋转头
14
；手柄组件
13
；和相机控制单元
15
，该相机控制单元通过线缆
17
连接到手柄组件
13。
在该示例中，手柄组件
13
和相机控制单元
15
是可重复使用的，而探针组件
12
是一次性使用的或经受循环制造，以便对于每个外科手术程序以无菌状态提供
。
192.探针组件
12
具有柱形主体
244
，该柱形主体支撑外护套
246
并被该外护套包围
。
外护套
246
通过环绕外护套
246
和主体
244
两者的一系列o形环
248
固定到主体
244。
如图
28b
所示，外护套
246
可以被拉到手柄组件
13
上，以在手柄组件
13
周围提供无菌屏障
。
193.手柄组件
13
包括与探针组件
12
和相机控制单元
15
对接所必需的线缆和连接器
。
可选地，手柄组件
13
包括控制器
250
，该控制器用于调节头
14
和用于启动相机模块
16
的清洁或擦拭
。
手柄组件
13
可以进一步包括前述步进马达
21
以及电触点
、
光接收器
180、led
和
pcb
，该步进马达作用在用于使头
14
旋转的机构上
。
194.探针组件
12
包括导管以用于将功率
、
数据
、
照明和机械运动传送至旋转头
14
和
/
或从该旋转头传送功率
、
数据
、
照明和机械运动
。
参考图
29
的探针组件
12
的近端视图，该图示出了与手柄组件
13
对接的特征部，即，用于接收手柄组件的远端的插口
252、
用于接收来自步进马达
21
的驱动的机械旋转接口
254
或爪形离合器
、
电触点
256
和光学接口
258。
图
29
还示出了探针
12
的轴
242
是多管腔结构并且由内部结构丝
260
支撑
。
195.接下来转向图
30a
至图
30f
，这些图展示了满足制造本发明的内窥镜的挑战的方式
。
在这方面，特别地，头
14
的极度小型化意味着新颖的途径在制造和组装期间是有益的
。
196.图
30a
至图
30f
示出了在用于构建内窥镜
10
的子组件的洁净室组装线中部署包覆成型技术的一系列步骤
。
197.可以使用微注射成型或低压粘合剂注射成型技术来完成包覆成型
。
198.图
30a
示出了探针
12
的远侧结构，其中功率柔性线缆
262
处于适当的位置，功率柔
性线缆
262
的线圈
182
环绕限定旋转轴线
22
的插塞
38。
该组件定位在用于包覆成型的模具中
。
接下来，图
30b
示出了相机模块
16
和光导部件
40
的功率柔性线缆
214
，因为这些功率柔性线缆也将被组装到模具中
。
199.图
30c
示出了现在包覆成型在上述先前放置的部件的顶部上的滑轮壳体
200。
接下来，参考图
30d
，将所得到的组件放置在第二模具中以再次包覆成型，在此之前，对相机模块
16、
轴结构
204
和窗口
208
部件进行定位
。
该步骤还允许在相机模块
16
与相机模块
16
的电源柔性线缆
214
之间进行电连接
。
200.图
30e
示出了准备用于第二包覆成型过程的组件，并且图
30f
示出了所得到的相机壳体包覆成型
264
处于适当位置的组件
。
这限定了组装到探针
12
的远侧结构上的头
14
，其中头
14
可在远侧结构的插塞
38
上旋转
。
组件的紧密性防止流体通过插塞
38
和滑轮壳体
200
接口进入
。
201.重要的是，容纳最昂贵部件
(
诸如包括稀有金属的电子部件
)
的相机模块
16
在该过程中被完全封装
。
这是有利的，因为它保护相机模块
16
免受难以或不可能去除的朊病毒或其他污染物的污染，因此允许在循环制造过程中拆卸和重复使用相机模块
16。
202.转到图
31
和图
32
，这些图示出了用于驱动和管理驱动线
、
带或线缆
26
的运动的可选机构
。
参考图
28b
和图
29
，图
31
和图
32
中所示的机构容纳在位于探针组件
12
的轴
242
的近端处的柱形主体
244
内
。
驱动线缆
26
的部分沿着轴
242
彼此平行地延伸以使探针的头
14
在轴
242
的远端处转动
。
203.如前所述，主体
244
的近侧插口
252
接收手柄组件
13
的远端型构并与其对接，该远端型构在这些附图中未示出
。
在每种情况下，这些机构都是由驱动布置经由爪形离合器
254
提供动力的，该驱动布置包括在手柄
13
内的上述步进马达
21。
204.图
31
所示的机构包括一对卷轴
266
，这对卷轴借助于相互啮合的齿轮
270
在相应的平行纵向轴线
268
上反向旋转
。
这些卷轴
266
中的一个卷轴由爪形离合器
254
直接驱动，并且另一个卷轴
266
经由相互啮合的齿轮
270
间接驱动
。
一个卷轴
266(
这里在左侧示出
)
在驱动线缆
26
的端部中卷绕，而另一个卷轴
266(
这里在右侧示出
)
在驱动线缆
26
的相对的端部放卷
。
驱动线缆
26
的相应部分在其通向和离开轴
242
的路径上穿过一组引导件
272。
显而易见的是，如果对爪形离合器
254
的驱动反向，则线轴
266
的操作也将反向，以使驱动缆索
26
的运动反向并且因此使旋转头
14
反向
。
205.每个卷轴
266
都具有位于近端的花键心轴或插塞
274
和位于远端的螺纹心轴或插塞
276
，插塞
274、276
两者都纵向延伸并且与卷轴
266
的轴线
268
同轴
。
花键插塞
274
被接收在互补的花键插口
278
中，这些花键插口与齿轮
270
成一体或以其他方式与这些齿轮一起转动
。
由于花键插塞的花键轮廓或花键插口的键轮廓，插塞
274
和插口
278
处于固定的角度关系，但是插塞
274
可以纵向地滑入和滑出插口
278。
206.相反，阳螺纹插塞
276
被接收在相对于主体
244
固定的互补阴螺纹插口
280
中
。
借助于这些插塞和这些插口的互锁螺纹，插塞
276
在插口
280
内的旋转使插塞
276
移动，并且因此使线轴
266
的剩余部分相对于插口
280
和主体
244
沿着轴线
268
纵向地移动
。
这驱动花键插塞
274
在花键插口
278
内的前述纵向运动
。
207.由于与两个卷轴
266
相关联的插塞
276
和插口
280
的螺纹具有相同的旋向，但是卷轴
266
反向旋转，所以显然，旋转的卷轴
266
将沿相反的纵向方向移动，如所示出的
。
这种纵
向运动避免了驱动线缆
26
缠绕成重叠的线圈，并且因此有助于驱动线缆
26
平滑且可靠地缠绕到卷轴
266
上以及从这些卷轴退绕
。
可选地，卷轴
266
可以具有类似于螺纹的外部螺旋凹槽构型，以在卷绕和退绕期间引导驱动线缆
26
的线圈
。
208.卷轴
266
的相对的纵向运动还在一组引导件
272
和驱动线缆
26
与卷轴
266
的交叉点之间保持一致的间隙
。
这有助于维持驱动线缆
26
中的一致张力，使得驱动线缆
26
能够可靠且如实地驱动头
14
的旋转，而不会滑动或跳动
。
可选地，如所示出的，偏置机构
282
将轴
242
背离探针组件
12
的主体
244
向远端偏置，这也具有维持驱动线缆
26
中的张力的效果
。
209.驱动线缆
26
的相对的两端锚固在相应卷轴
266
上的系孔
284
中
。
以这种方式，驱动线缆
26
可以是端部开放的并且因此制造简单，因为它不必是连续的环
。
210.图
31
中所示的机构将驱动探针组件
12
的头
14
在每个方向上转动设定量，这取决于卷轴
266
相对于头
14
的滑轮凹槽
28
的直径
、
由卷轴
266
保持的驱动线缆
26
的线圈的数量
、
以及插塞
276
和插口
280
的螺距
。
该机构可以通过右旋和左旋螺纹
、
以及辊
、
带或附加齿轮的组合以各种方式设置，以实现类似的效果
。
可选地，卷轴
266
或引导件组
272
相对于环绕主体
244
的位置或取向可以以现在将参考图
32
描述的方式进行调节，其中，相同的附图标记用于相同的特征部
。
211.在图
32
中，经由爪形离合器
254
围绕纵向轴线
268
直接驱动的单个卷轴
266
承载连续成环的驱动线缆
26
的一系列线圈
。
驱动线缆
26
在卷轴
266
的一端卷绕，并且在卷轴
266
的另一端放卷
。
驱动线缆
26
的线圈被迫沿着卷轴
266
滑动，以留出空间用于将另外的线圈缠绕到卷轴
266
上
。
可以提供润滑以帮助该滑动运动
。
212.可选地，如所示出的，卷轴
266
被成形为帮助驱动线缆
26
沿着卷轴
266
滑动并且在到达点和离开点处提供额外的张力，在这些到达点和离开点处，驱动线缆
26
经由引导件组
272
缠绕到卷轴
266
上以及从该卷轴放卷
。
这维持了驱动线缆
26
中的张力，同时允许驱动线缆
26
的线圈更容易地沿着卷轴
266
滑动
。
在该示例中，卷轴
266
具有凹形的
、
细腰的沙漏轮廓，该轮廓在驱动线缆
26
的到达点与离开点之间相对较窄
。
213.图
32
示出了其他可选的特征部，即，用于调节卷轴
266
和
/
或引导件组
272
相对于周围主体
244
的位置或取向的设备，如上所述
。
具体地，卷轴
266
具有由相应的轴承块
288
包围的远侧和近侧心轴
286。
轴承块
288
可以通过螺钉
290
相对于主体
244
以及相对于引导件组
272
沿横向于轴线
268
的方向移动
。
增加卷轴
266
与引导件组
272
之间的间隔增加了环形驱动线缆
26
中的张力
。
214.在该示例中，轴承块
288
可以独立地移动，因此使轴
268
相对于主体
244
倾斜
。
这允许对卷轴
266
的上游和下游的驱动线缆
26
的相应部分中的张力进行不同的调节
。
215.图
32
中所示的另一张力调节设置是引导底座
292
，该引导底座能够相对于主体
244
移动以使引导件组
272
中的至少一些朝向和远离卷轴
266
移动
。
在该示例中，引导底座
292
可通过螺钉
290
大致平行于轴线
268
纵向移动
。
然而，引导底座
292
也可以或替代地相对于轴线
268
横向地移动
。
诸如弹簧加载的偏置也可以或替代地施加在由螺钉
290
例示的调节点处
。
此外，尽管未在图
32
中示出，诸如图
31
的偏置机构
282
的设置可将轴
242
远离主体
244
向远侧偏置以增加驱动线缆
26
中的张力
。
216.由于微型化而在探针
12
的窄轴
242
内可用的有限空间对驱动系统施加了约束，这些驱动系统能够产生足以使头
14
绕垂直于轴
242
的轴线转动的扭矩
。
最小化分别在内窥镜
10
的近端和远端处的输入和输出之间的任何不一致所导致的误差也是具有挑战性的
。
换句话说，对于来自近侧驱动机构的给定输入，头
14
的角位置的变化必须基于是驱动机构的位置或运动而合理地可计算和可预测的
。
217.为了应对这种挑战，带或线缆驱动系统可能需要驱动线缆
26
在每一端处围绕滑轮或卷轴缠绕多次成环，像绞盘一样，以防止在高负载下滑动
。
即使如此，仍然存在驱动线缆
26
相对于驱动或被驱动的滑轮或卷轴的一些滑动的可能性
。
218.在小型化系统中，空间约束在驱动线缆
26
的厚度与驱动线缆
26
可以围绕滑轮成环
、
缠绕或转动的次数之间施加折衷
。
减小驱动线缆
26
的厚度以增加可以被容纳的环
、
缠绕材料或圈的数目降低了驱动线缆的刚度，这增加了输入与输出之间的不一致的风险和
/
或影响
。
另外，如上所述，合适的闭环驱动线缆
26
的制造可能存在设计难题
。
219.为了解决这些各种挑战，图
33
和图
34
展示了蜗轮机构，该蜗轮机构提供扭矩以直接传输到探针
12
的轴
242
内的头
14
，同时还提供显著的机械优点
。
在这方面，蜗轮机构包括在细杆
296
的远端处的螺旋蜗杆型构
294
，该细杆在轴
242
内延伸并且大致平行于轴延伸
。
杆
296
用作用于从相对于轴
242
位于近侧的驱动器
(
诸如前述步进马达
21)
传输扭矩的传动轴
。
220.蜗轮机构还包括蜗轮
298
，该蜗轮在轴
242
的远端处与头
14
成一体或附接到该头
。
蜗轮
298
包括一系列部分螺旋凹槽
300
，这些部分螺旋凹槽围绕头
14
的旋转轴线
22
周向间隔开并且相对于头
14
的旋转轴线
22
成锐角
。
蜗杆型构
294
围绕大致与蜗轮
298
相切的轴线转动并且与凹槽
300
啮合，以响应于杆
296
的旋转而使蜗轮
298
和头
14
转动
。
221.由于蜗杆型构
294
与蜗轮
298
之间的啮合而产生的积极的机械接合减小了滑动的可能性并且因此改善了对头
14
的角位置的控制
。
此外，有利的是，旋转驱动围绕沿着轴
242
延伸的旋转轴线沿着轴
242
的长度传输
。
这使损失
、
齿隙和公差效应最小化
。
222.为了有助于小型化，图
33
和图
34
示出了传统蜗轮设计的两种变型
。
蜗杆型构
294
包括在杆
296
的远端处形成为盘绕或螺旋形状的细长线，而不是机械加工成轴
。
蜗杆型构
294
可以与杆
296
一体地形成或者可以附接到该杆
。
相反，蜗轮
298
形成有与蜗杆型构
294
的螺旋形状互补的切口凹槽
300
的图案，以允许来自杆
296
的旋转驱动的平稳传输
。
223.蜗杆型构
294
的旋转轴线不能与轴
242
的中心轴线同轴，这对小型化提出了挑战
。
与蜗轮
298
接触的蜗杆型构
294
的螺旋形状也存在限制
。
杆
296
因此可以被加强以增加其结构完整性
。
224.图
35
示出了组合带驱动和齿轮驱动原理的系统可以提供用于传输扭矩同时最小化系统的不同部分上的应变的解决方案
。
这里，杆
296
用作传动轴，其可以沿着探针轴
242
的中心轴线设置并且可以围绕该轴线转动以向轴
242
的远端传输扭矩
。
在轴
242
的远端附近，啮合的锥齿轮
302
使旋转轴线转动
90
°
。
与第二锥齿轮
302
一起转动的滑轮
304
与头
14
的滑轮凹槽
28
对准，以经由短的连续环路驱动线缆
26
将驱动传输到头
14。
应当注意，在该布置中，清洁模块或擦拭片
30
将位于滑轮
304
与旋转头
14
之间
。
225.图
35
的布置可能没有受益于与图
33
和图
34
中所示的蜗轮设计相同的机械优点
。
然而，将杆
296
定位在探针轴
242
的中心轴线上允许杆
296
更粗且更坚硬，因此潜在地减小由杆
296
的扭转引起的应变
。
另外，滑轮
304
与滑轮凹槽
28
之间的短跨度减小了驱动线缆
26
上的应变并且因此减小了输入与输出之间的差异
。
该短跨距还使得可以更容易制造合适的闭环驱动线缆
26。
226.现在转到图
36
，这里示意性示出的内窥镜
10
需要白光照明从高亮度源
27(
例如，被包含在内窥镜
10
的近端处的手柄
13
中
)
沿着光导
32
传输到探针
12
的远侧末端并且从该远侧末端传输到头
14。
同时，由光信号携带的数据在手柄
13
和头
14
中的呈光学收发器形式的电子部件之间传输
。
由于小型化内窥镜
10
中的空间限制，这些信号在沿着探针
12
延伸的同一光导
32
中传输并且在近侧进入到探针
12
的主体
244
中
。
227.图
36
中所示的布置在手柄
13
中组合这两个光学信号，即照明和数据，使得光可以穿过手柄
13
与主体
244
之间的接口
306
有效地传输到头
14。
图
36
中所示的解决方案还分离从头
14
返回到手柄
13
的数据信号，使得数据信号可以被进一步电子处理
。
当该布置组合并且分离光信号时，该布置可以被描述为光学多路复用器
。
图
36
示出了用于这种光学多路复用器的一种可能的设计
。
228.图
36
的布置包括放置在内窥镜
10
的手柄
13
中的光学多路复用器元件
308。
手柄
13
旨在作为系统的可重复使用的部件并且旨在直接连接到探针
12
的主体
244
，作为系统的一次性或部分可回收的部件
。
229.元件
308
定位在手柄
13
中，使得当手柄
13
与主体
244
接合时，元件
308
的远端面对主体
244
中的光导
32
的近端并与之光学连通
。
因此，手柄
13
的机械构造使得一旦手柄与探针
12
的主体
244
配合，元件
308
就与光导
32
纵向且横向地对准，以最小化穿过接口
306
的插入损失
。
230.元件
308
由透明材料
(
诸如玻璃或合适的聚合物
)
制成，透明材料在可见光和近红外波长中具有高透射特性
。
元件
308
在其近端处具有
45
°
倒角或斜面
310
，涂覆有短通二向色涂层
。
斜面
310
的涂层对于具有低于截止水平的波长的光是透明的，该截止水平在这种情况下可以被定义为可见光与近红外光之间的边界
。
高于该截止水平的波长
(
因此是近红外光
)
被斜面
310
的涂层反射
。
231.在图
36
的布置中，来自照明源
27
的可见波长范围中的光穿过斜面
310
的涂层并且因此被引导穿过元件
308
且进入到光导
32
中
。
同时，由收发器
312
传输的近红外范围内的光被斜面
310
的涂层反射并且因此也被引导通过元件
308
并进入到光导
32
中
。
类似地，沿着光导
32
从内窥镜
10
的头
14
返回的数据信号在斜面
310
的涂覆表面处被反射以被引导到收发器
312
上
。
232.图
36
示出了可选的透镜
314
，这些透镜可以用于优化光到元件
308
中的耦合并且在数据信号的情况下用于优化将被聚焦到收发器
312
上的发射光的收集
。
233.在图
37
所示的变型中，作为照明源
27
和收发器
312
的光源仍然位于手柄
13
中
。
然而，多路复用器不是形成手柄
13
的一部分的单独元件，而是光导
32
本身的倒角或斜面近端部分
。
在该变型中，消除了穿过接口
306
的插入损耗
。
234.在该示例中，限定多路复用器的光导
32
的近端部分从主体
244
向近侧突出并且由主体
244
的外部壳体
316
保护
。
光导
32
的近端处的
45
°
斜面
310
再次涂覆有短通二向色涂层，并且具有与以上关于图
36
所描述的相同的功能
。
235.当手柄
13
与主体
244
接合时，壳体
316
被接收在手柄
13
的互补插口
318(
作为阳
/
阴机械联接部
)
中
。
插口
318
支撑透镜
314
，并且壳体
316
具有窗口或孔径，这些窗口或孔径然后与透镜
314
对准或相对以用于光导
32
经由斜面
310
与照明源
27
和收发器
312
的光学通信
。
236.在另一变型中，也适用于图
36
，斜面
310
的二向色涂层可以由偏振分束器代替
。
在
这种情况下，照明和数据的光信号被彼此正交地线性偏振
。
与数据相关联的一个偏振状态由分束器反射到收发器
312
和从收发器反射，并且与照明相关联的另一偏振状态从照明源
27
直接穿过分束器
。
237.用作照明源
27
的白光源可以是发光二极管
(led)、rgb
激光器
、
激光泵浦磷光体源或其他等效的宽带
、
可见光发射源
。
238.现在转到图
38
，由于在标准白光照明下的低对比度，在手术期间例如在血管与组织实质之间的某些结构的可视化可能是具有挑战性的
。
可以通过利用体内内源色素的光学特性并且用能够观察到更大对比度的波长的照明亮组织来改善可视化
。
例如，在蓝色或绿色范围内的较短可见波长与红色相比更强地被血液中的血红蛋白吸收
。
因此，用此类波长照亮组织将允许增强背景中富含血液的特征部
。
239.也可以通过局部或静脉内引入染料来增强对比度，以提供外源性对比度增强
。
这可以通过使染料流动
、
扩散染料或以其他方式对感兴趣的组织染色来被动地实现，也可以使用分子靶向来主动地实现
。
在一种变型中，染料可以是荧光的，并且当特定激发波长入射到染料上时，染料可以发射特定波长的光
。
在另一种变型中，染料可以是吸收特定波长或波长范围的光的颜料
。
240.在这种情况下，必须控制照明源，使得对比度增强信号
(
例如，荧光发射或吸收信号
)
不被用于标准照明的其他重叠波长污染或冲洗掉
。
一种方法是通过以频闪方式交替打开和关闭，从标准白光照明源中暂时分离代表荧光激发光或颜料吸收峰值的信号波长，如图
38
顶部所示
。
如果这种选通与图像采集同步进行，如图
38
所示，则可以随后处理视频馈送，以选择显示标准白光照明
、
对比度增强照明或与覆盖在标准照明背景上的对比度增强的组合的帧
。
在图
38
的底部示出了外科医生在系统显示器上看到的这三种情况下的模拟视图
。
241.照明需要多个波长通道用于内源和外源对比度增强
。
此类通道包括能够提供标准白光照明的那些通道，并且在外源性造影剂的情况下包括能够提供激发波长的那些通道
。
参考图
39
，光学多路复用器
320
将这些多个波长组合到单个光导
32
中，该光导随后将该光引导到内窥镜
10
的头
14
以照亮组织
。
242.方便地，多路复用器
320
可以结合在内窥镜
10
的手柄
13
中，如图
39
所示
。
在该示例中，多路复用器
320
是光导
32
的近侧延伸部，其方式类似于图
37
中所示的布置，该延伸部被容纳在壳体
316
内，该壳体从主体
244
突出并且被接收在手柄
13
中的插口
318
中
。
在其他示例中，多路复用器
320
可包含穿过接口
306
与光导
32
光学通信的单独元件，如图
36
中所示的元件
308。
243.图
39
示出了用于在内窥镜
10
的远端处将光学数据传送至头
14
和从该头传送光学数据的光学收发器
312。
在这种情况下，除了轴向安装在多路复用器的端部的白光源
27
之外，沿着多路复用器
320
轴向连续地定位另外的发射器
322。
发射器
322
和白色光源
27
分别发射不同波长的光
。
244.在该示例中，作为收发器
312、
发射器
322
和白色光源
27
的各种光源经由相应的透镜
314
与光导
32
通信
。
如前所述，透镜
314
优化了光到光导
32
中的耦合，并且在数据信号的情况下优化了要聚焦到收发器
312
上的发射光的收集
。
245.收发器
312
和发射器
322
与光导
32
中的相应短通二向色滤波片
324
轴向对准，每个
短通二色滤波片与光导
32
的纵向轴线成
45
°
角
。
因此，在该变型中，多路复用器
320
的输入端口通过堆叠由滤波器
324
分开的多个引导元件而形成
。
光源按照从白光源
27
通过发射器
322
到收发器
312
的波长增加的顺序如所展示从顶部到底部布置或在远侧顺序地布置
。
滤波器
324
被设计成具有在这些源中的每一个源的波长范围之间的截止波长
。
246.除了图
39
所展示的那些之外，通过堆叠二向色滤波器
324
，可以简单地使用另外的光源
。
如前所述，所使用的光源可以是发光二极管
(led)、
激光器或等同物
。
247.图
40
示出了如前述实施方案中所表征的光导
40
在头
14
内的可能布置
。
为了概括，使用手柄
13
中的光学多路复用器
/
解复用器组合的照明数据信号和光学数据信号
(
如图
36、
图
37
和图
39
中所示的布置
)
沿着探针
12
的光导
32
向下行进，直到这些信号被
90
°
棱镜
34
反射到头
14
中
。
棱镜
34
沿着头
14
的旋转轴线
22
引导光并进入到图
40
所展示的光导
40
中
。
248.光导
40
通过将照明与光学数据信号分离
、
将照明引导到光发射器
18
且将光学数据信号引导到由联接到相机模块
16
的电子器件的发射及接收
led 174
实施的光学收发器而充当光学解复用器
。
相反，光导
40
还用作光学多路复用器，以用于接收由
led 174
发射的光数据信号并将这些信号耦合回到光导
32
中，以经由手柄
13
中的光学多路复用器
/
解复用器传输到光收发器
312。
249.在图
40
所示的变型中，两个二向色滤波器
326、328
以“x”形彼此正交相交
、
以头
14
的旋转轴线
22
为中心，每个滤波器
326
和
328
与进入和离开光导
40
的光成
45
°
。
如虚线所示的滤波器
326
是对可见光透明且对近红外光反射的短通滤波器，而如实线所示的滤波器
328
是对近红外光透明且对可见光反射的长通滤波器
。
该布置实现了以实线示出的入射照明与以虚线示出的入射数据信号和出射数据信号的所需分离
。
250.图
40
中的细节a示出了可以如何从四个单独的光学元件
330、332
组装交叉的二向色滤波器
326、328。
彼此对准且与光发射器
18
和
led 174
对准的一对元件
330
各自具有由以
90
°
彼此会聚的小面
334
界定的锥形末端
。
与元件
330
成
90
°
定向的另一对元件
332
具有类似的锥形末端，这些锥形末端与元件
330
横向地接合在元件
330
之间以完成光导
40。
251.元件
332
未被涂覆，但是每个元件
330
的小面
334
被涂覆以限定滤波器
326、328
的期望特性
。
具体地，每个元件
330
的一个小面
334(
这里由虚线表示
)
被涂覆以限定滤波器
326
的短通特性
。
每个元件
330
的另一小面
334(
此处由实线表示
)
被涂覆以限定滤波器
328
的长通特性
。
252.当元件
330
末端对末端地集合在一起时，它们的小面
334
组合以限定滤波器
326、328。
在这方面，将注意到，元件
330
的短通涂覆小面
334
和长通涂覆小面
334
关于元件
330
的邻接末端呈对角相对
。
253.在另一变型中，图
40
中所示的光导
40
可以用于分离除除可见光和近红外光以外的波段
。
可以选择任何两个波段用于照明和数据通道的设计，该选择在二向色滤波器
326、328
的光学特性中实施
。
这些涂层可以是长通或短通的，在不同的位置具有切入
(cut-on)/
截止波长，或者这些涂层可以具有带通结构以选择性地透射或反射窄或宽的波长范围和多个不连续的带
。
254.在另一变型中，如上面关于图
36
和图
37
所提到的，二向色滤波器可以由作用于用于数据通道和照明通道的正交偏振光的偏振分束器来代替
。
255.最后转到图
41
和图
42
，头
14
的自由
360
°
旋转需要电隔离电路系统并且因此需要无
线地传输数据和功率
。
这种受限空间中的无线功率传输的要求在数据包含易受失真影响的视频信号的情况下提出了挑战
。
因此，需要一种能够减轻功率损失和数据损失同时允许头
14
的
360
°
旋转的解决方案
。
256.图
41
是将该解决方案概述为系统概述的框图，而图
42
示出了图
41
所示系统的细节
。
图
41
和图
42
所示的系统被分成两部分，即，一次性部分和可重复使用部分
。
探针
12
和头
14
在系统的一次性部分中，而手柄
13
和相机控制系统或
ccu 15
在系统的可重复使用部分中
。
257.在这种解决方案中，使用如图
27
所示的叠加信号将时钟信号和功率在单个信道上一起传输
。
在系统的可再用部分中，产生高频时钟信号以用作功率传送时钟
。
该信号需要具有由图像传感器配套芯片
230
提供的信号
(
诸如
24mhz)
的锁相条件
。
258.在接收器侧上，在系统的一次性部件的头
14
中，需要数字分频器以
24mhz
的正确频率恢复时钟信号
。
如果功率时钟信号的频率是
24mhz
时钟的整数倍，则可以使用简单的分频器
。
如果倍增器是二的幂，例如二
、
四或八，则分频器更简单
。
为简单起见，图
41
和图
42
中所示的解决方案使用四作为倍增器
。
259.为了可靠的数据信号传递，头
14
中重建的
24mhz
时钟信号必须具有与头
14
外部产生的时钟信号相等的相位关系
。
为了解决这个问题，系统提供了相位调整
。
260.在该示例中，头
14
的图像传感器
48
使用在图像传感器配套芯片
230
中生成的
24mhz
时钟信号
。
功率传输可以通过感应耦合来实现
。
功率电路可以例如采用频率为
96mhz(
在该示例中为
24mhz
的时钟频率的四倍
)
的正弦
(“sinus”)
信号，以允许使用小且紧凑的平面线圈
182
来进行功率传输
。
如前所述，此类线圈
182
可使用双层柔性基板制成
。
261.由于功率信号的高频率，在先前实施方案中描述的
spi
数据传递方法可能不是适当的
。
为此目的，光通道视频数据信号路径在用于
spi
控制信号的相反方向上被重新使用
。
262.如在图
26
的实施方案的相机控制单元
15
中，响应于嵌入式计算机
226
的图像信号处理芯片
224
驱动在图像传感器配套芯片
230
上实施的
spi
控制器
228。
然而，在这种情况下，
spi
控制器
228
将
spi
写入数据馈送到光收发器
312。
263.图像传感器配套芯片
230
还实施产生
24mhz
信号的时钟产生器
232。24mhz
信号在频率倍增器
336
中被四倍地倍频到
96mhz
并且被馈送到功率和时钟正弦滤波器驱动器
338
，之后功率信号和时钟信号通过
182
处的感应链路
、
穿过探针
12
与头
14
之间的接口向前无线传输到头
14。
264.在头
14
中，功率采集器芯片
340
从
182
处的感应链路接收功率并将该功率供应至功率调节器
33。
功率调节器
33
调节驱动图像传感器
48
和支持电路系统的功率
。
滤波器
216
从功率信号中过滤时钟信号
。
然后在数字分频器
218
中将时钟信号除以四以控制图像传感器
48
，因此返回到
24mhz
的频率
。
265.在光通道视频数据信号路径中，同步分离器
342
从光收发器
312
接收
spi
数据
。
时钟相位对准检测器
344
从配套芯片
230
的同步分离器
342
和时钟发生器
232
接收输入，以将相位控制应用于频率倍增器
336。
266.如图
26
所示，光解调器
236
接收并解调来自光收发器
312
的信号，并经由模数转换器
238
和并行移动工业处理器接口
240
将其输出馈送到图像信号处理芯片
224。
267.在本发明的概念内，许多其他变化是可能的
。
例如，手术器械的部件之间的数据通
信和功率传输原则上可以通过除了所描述的那些技术之外的无线技术
(
诸如磁共振通信
)
来实现
。
然而，在邻接的囊体
、
模块或部件的外表面上的电触点或在邻接的囊体
、
模块或部件的外表面之间的导体可以潜在地用于该目的
。
268.器械中的数据通信和功率传输可以通过器械的连续囊体
、
模块或封装部件之间的菊花链来实现
。
因此，菊花链布置中的每个囊体
、
模块或部件都具有从外部源接收数据或功率的装置和
/
或将数据或功率传输或传送至外部接收器的装置
。
此类菊花链特征部在本说明书中通过用于将光接收到头中以向相机模块供电的设备以及通过用于将数据从相机模块传输到外部接收器的设备来例示
。
在
rf
通信的情况下，菊花链是有利的，因为短的传输距离意味着可以保持低的功率，使得更容易提供足够的电能并且确保
rf
辐射不深入地穿透到患者身体中
。
269.在本发明的一些实施方案中，内窥镜的外部元件可由可生物降解的材料制成，因此进一步减少原本将被送去再循环或焚化的废弃物
。
这最适用于诸如手柄的结构部件
。
可生物降解的部件可以形成囊体的一部分并且如先前所描述的那样被拆卸
。
替代地，第二内层可以形成气密密封
。
在这种情况下，第二内层可以是非结构性质并且可以由可生物降解外层支撑和保护
。