可變視域的關節內窺鏡的製作方法
2023-06-02 08:11:31 1
專利名稱：可變視域的關節內窺鏡的製作方法
技術領域：
本發明總的涉及關節內窺鏡、內診鏡和類似的光學儀器，更具體來說，涉及可變視域的關節內窺鏡。
背景技術：
關節內窺鏡和類似的光學儀器(諸如內診鏡)用於諸如外科手術和檢查的醫學應用中，也可用於非醫學應用中，它同樣涉及對受到限制或不可到達的構成工作區域的空間進行視覺檢查。儘管本發明在這裡參照用於外科的關節內窺鏡或類似的儀器進行描述，但本發明也可用於其它的應用中，並意圖包括所有合適的變型。
在過去的十五年或更多年中，微創外科手術已成為一種主流的外科技術。在矯形外科領域，特別是，採用關節內窺鏡之類裝置的關節內窺鏡檢查和類似技術已成為最普通的外科操作。微創外科手術對於病人的痛苦較小，且在大多數情形中，這種手術比要求在病人身體上作較大的創口的手術進行得更快和更安全；微創外科手術的其它好處包括對微創外科手術施行麻醉較為簡單；病人痊癒得較快；病人住院時間縮短甚至無需住院；手術的費用更加經濟。
使用微創外科技術的好處，可能受到所使用的關節內窺鏡、內診鏡和其它主要光學儀器能力的限制。特別是，即使滿足外科應用的尺度和其它方面要求的市場上最好的儀器，其所提供的頗有限制的視域已限制了微創外科技術的應用範圍。一般來說，視域越大，對大多數應用來說，儀器的用處也越大。
已有人提出了擴大關節內窺鏡/內診鏡儀器所提供的視域的好幾種方法，但這些方法都不太成功。一般來說，這樣的建議要求將多個可移動的透鏡或稜鏡組裝入儀器的輸入端；由此引起的諸如結構的精度，相對運動的精度，空間要求，光學畸變和消除不希望的環境光等問題很多。
照明觀察區域以獲得有用的影像是關節內窺鏡和類似儀器的另一要求。沒有足夠的光，最後形成的影像不包含足夠的最有用的信息。光線通常由一外光源通過一光導提供到關節內窺鏡的目標輸入端。從外光源發出的光傳送到關節內窺鏡一端處的關節內窺鏡中的內部光導，並通過內部光導發射到關節內窺鏡的遠端，在那裡光通常漫射而照亮關節內窺鏡遠端周圍的觀察區域。外光源通常包括連接到一光纖束的光；外部光纖束用機械方法連接到內部光導，通常，內部光導通常也是一光纖束。一般地來說，外光源和內部光纖光導是市場上可購得的標準部件。連接效率(即，從光源到觀察區域實際所通過的光量)相對較低。
較低的連接效率一部分是因為難以控制從外光源光纖束髮射的光並將該光聚集入內部光導，而一部分是因為光纖束的物理結構。使數值孔徑和外光源光點的尺寸與接納的內部光導匹配一致，對於連接效率來說是十分重要的。一光纖的數值孔徑是光線可以射到垂直於光纖光軸的光纖表面並仍沿著光纖傳播的角度的數學表達式(能被光纖接受且無損耗地傳送的光的全錐半角的正弦)。以從光纖的光軸量測的一個太大的角(即，超過光纖的數值孔徑)射到該表面的光將會損失掉。光束光點的尺寸由圓形區域限定，一大百分比的光以離光束源一特定的距離包含在該圓形區域內。當發射的光落在接納光纖的數值孔徑內且發射光的光點尺寸小於接納光纖的芯時，發生最有效的光傳遞。聚焦透鏡或聚焦系統可用來幫助對從光源發出的光進行適當引導。通常，如果外光源的光點尺寸被聚焦透鏡減小，那麼從聚焦透鏡發出的會聚光的錐角可能超過接納光纖的數值孔徑，且超過接納光纖的數值孔徑的光將損失掉。相反，如果會聚光的錐角小於接納光纖的數值孔徑，那麼會聚光的光點尺寸可能大於接納光纖的芯尺寸，且超過接納光纖的芯尺寸的光將損失掉。當光源是光纖束時，使光源光纖的數值孔徑和光點尺寸與接納光纖的數值孔徑和光點尺寸相匹配一致(諸如在外光源和內部光導之間)可以是特別困難。此外，當試圖從一束光纖將光聚焦到第二束光纖時，由於一單一聚焦系統正力圖同時聚焦一組光點，所以連接效率大大降低。由於只有一條光線實際上在聚焦系統的光學中心線上，所以從光源光纖發出的所有其它光線，當其從各個光纖的中心傳播開時，它們在聚焦透鏡中是偏離中心和不對稱的。因此，它們不能與接納光纖的光點和數值孔徑相匹配。最大連接效率可通過在會聚光線的光點尺寸和錐角之間的折衷而實現，即，當會聚光線最接近匹配接納光纖的芯尺寸和數值孔徑時，且當發射光纖、聚焦系統和接納光纖的光學中心線共軸之時。
引起較差的光發射到視象區域的另一問題起因於光纖束的結構。一單一光纖由一芯(光載部分)和包層(使光保持在芯內的芯的復層)組成。只有光纖束的芯承載光；因此，光損失歸因於芯之間的空間。當具有圓形截面的一組光纖捆束成圓柱形結構時，光纖只佔據該圓柱形結構橫截面的大約78％。此外，光纖束的每個光纖的芯小於包層。因此，實際光載面積顯著地小於光纖束的圓形橫截面。將光傳輸到關節內窺鏡遠端的改進的光傳輸將提高視域的照明，並增加包含在捕獲的影像中的信息。
需要有一種關節內窺鏡，它提供寬廣的有效視域，並為改變觀察範圍而不要求移動關節內窺鏡。這樣一種關節內窺鏡揭示在待批的美國專利申請號09/243,845，題為「可變視域的關節內窺鏡」，它具有與本申請共同的發明人。另一個這樣的關節內窺鏡揭示在待批的美國專利申請號09/452,340，題為「可變視域的關節內窺鏡」，它也具有與本申請共同的發明人。這裡援引這些相關的申請以作參考。還需要有一種改進的光中繼系統，以通過關節內窺鏡照明視域。在本說明書和附後的權利要求書中，術語「關節內窺鏡」意指並應解釋為包括一關節內窺鏡或任何類似的光學儀器(不管是否用於外科手術)。
發明概要根據本發明的可變視域的關節內窺鏡包括一在細長外殼管內的可變的目標輸入組件，一改變目標輸入組件視域的控制器，以及一照明視域的照明組件。一位於外殼管輸入端中的輸入窗允許使用者觀察工作區域。該輸入窗較佳地是球形的。目標輸入組件包括一輸入透鏡，一第一鏡面和一第二鏡面。輸入透鏡是可移動的，而第一鏡面是可轉動的。輸入透鏡和第一鏡面繞同一軸線移動。第二鏡面是固定的。從視域來的反射光形成一工作影像，從視域來的光影像或目標光線，通過輸入窗和輸入透鏡，從第一鏡面反射到第二鏡面，並從第二鏡面反射入一中繼透鏡系統。在某些實施例中，第二鏡面可用一稜鏡代替。
控制器將輸入透鏡和第一鏡面的位置改變到任何位置，或到介於第一極限位置和第二極限位置之間的一系列固定位置。隨著目標光線通過輸入透鏡到第一鏡面、第二鏡面或稜鏡，並進入中繼透鏡系統，當關節內窺鏡的視域角度變化時，軸向光線的長度仍保持同樣長度。而且，邊緣光線的長度可彼此相等，且當關節內窺鏡的視域角度變化時，它們也可保持同樣的長度。
在本發明的另一方面，照明組件較佳地包括一個中繼光導，該中繼光導由一個或多個帶有鏡面的透明材料的杆組成。中繼光導最好捕獲從外光源發出的光線，並將光線傳送到視域。
附圖簡述為了更好地理解本發明，應參照下面連同附圖的詳細描述，這些附圖未按比例繪出，其中，相同的標號表示相同或類似的零件，下面附圖中
圖1是本發明實施例的可變視域關節內窺鏡的平面圖2是圖1的可變視域關節內窺鏡的正截面圖；圖3是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，示出本發明實施例的目標輸入組件的諸部分，且調整為最大向上視域；圖4是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，示出目標輸入組件的諸部分，且調整為最大向下視域；圖5是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，示出調整為最大向上視域和最大向下視域的關節內窺鏡的目標輸入組件的諸疊加部分；圖6是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，調整為中間視域，還示出本發明實施例的一輸入透鏡控制器；圖7是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，調整為中間視域，還示出本發明實施例的一第一鏡面控制器；圖8是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，調整為中間視域，示出本發明一實施例的輸入透鏡控制器和第一鏡面控制器；圖9是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，調整為最大向上視域，示出本發明一實施例的輸入透鏡控制器和第一鏡面控制器；圖10是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，調整為最大向下視域，示出本發明一實施例的輸入透鏡控制器和第一鏡面控制器；圖11是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，示出本發明另一實施例的目標輸入組件的諸部分，調整為中間視域；圖12是圖1的關節內窺鏡的目標輸入端的正截面圖，示出本發明一實施例的一目標輸入組件的諸部分和相關控制器，調整為中間視域；圖13是用於本發明一實施例的關節內窺鏡的照明系統的正截面圖；圖14是圖13的照明系統的正截面圖，還示出光線通過該系統的發射；圖15A是本發明一實施例的關節內窺鏡控制器的滑動部分的正視圖；圖15B是圖15A的滑動件部分的平面圖；圖15C是圖15A的滑動件的端視圖；圖16A是本發明一實施例的一關節內窺鏡控制器的凸輪/軸件的平面圖；圖16B是圖16A的凸輪/軸件的端視圖；圖16C是圖16A的凸輪/軸件的正視圖；圖17A是本發明一實施例的一關節內窺鏡控制器的兩個控制鈕的平面圖；圖17B是圖17A的兩個控制鈕的端視圖；圖17C是沿圖17A的線17c-17c截取的兩個控制鈕的截面圖18A是本發明一實施例的滑動件和凸輪/軸件在中心移動位置時的關係的平面圖；圖18B是沿圖18A的線18B-D截取的截面圖，示出本發明一實施例的滑動件和凸輪/軸件在中心移動位置時的關係；圖18C是沿圖18A的線18B-D截取的截面圖，示出本發明一實施例的滑動件和凸輪/軸件在完全後部移動位置時的關係；圖18D是沿圖18A的線18B-D截取的截面圖，示出本發明一實施例的滑動件和凸輪/軸件在完全前部移動位置時的關係。
優選實施例描述圖1和2示出本發明一實施例的可變視域關節內窺鏡。儘管這裡圖示和描述為可提供上下視域變化的關節內窺鏡，但可以定向一類似的結構，以提供左右視域變化或沿任何其它軸線的視域變化。一可變視域關節內窺鏡總的標以標號30，它包括一沿一中心縱向軸線延伸的細長的外殼管31，其具有一目標輸入端32和一控制端33。關節內窺鏡30包括一外控制部分35。外殼31，具體來說，它的控制端33可延伸入關節內窺鏡30的外控制部分35。一般來說，一影像目標在外殼管31的目標輸入端32處被捕獲，被中繼傳遞到控制端33，並由關節內窺鏡30的外控制部分35來記錄和顯示。如上所述，影像目標由目標光線形成，目標光線包括在目標影像的光學中心處的軸向光線以及在目標影像的外邊緣或周緣處的邊緣光線。
控制部分35終止於一CCD附件36。該CCD附件36通過合適的方法連接到一影像屏(未示出)，使用關節內窺鏡30的操作者可觀察該屏。CCD附件36可以是傳統的結構，因此不再詳細示出。外控制部分35也可包括諸如滑動件之類的一控制器，以用來調整關節內窺鏡30的視域，以及一用來調整關節內窺鏡聚焦的聚焦透鏡組件55。聚焦透鏡組件55可包括一聚焦透鏡、一變焦透鏡以及它們的控制器。聚焦透鏡組件將從輸入端32接收的目標引導入CCD附件36。在外控制部分35，關節內窺鏡包括由一光源41形成的照明組件42的一部分，該光源連接於一光中繼組件43上。照明組件42照亮外殼管31的目標輸入端32之外的視域。該視域最好是在關節內窺鏡的目標輸入端32的前面的一區域，從關節內窺鏡管31的縱向軸線下面的大約15°到關節內窺鏡管31的縱向軸線上面的大約105°。現參照圖3-5，目標輸入端32包括一目標輸入組件50。在優選的實施例中，目標輸入組件50包括一輸入窗52，一輸入透鏡54，一第一鏡面56和一第二鏡面58。在獲得目標的一影像過程中，目標光線從視域進到輸入窗52，並通過輸入透鏡54，從第一鏡面56反射到第二鏡面58。
外殼管31的輸入端32最好呈斜切狀，並用輸入窗52關閉。輸入窗52較佳地是一同心的、球形凹凸透鏡，並以這樣方式形成，即，外表面和內表面有一共同的彎曲中心點。較佳地，該中心點在軸90的中心線上，它位於第一鏡面56(下文將進一步討論)的前反射面上。此外，中心點較佳地位於輸入透鏡54的光軸上。如果輸入窗52的中心點位於輸入透鏡光軸上，則當輸入透鏡54從一個位置到另一位置移動時，介於輸入目標光線的諸折射角之間的關係保持恆定。其結果，輸入目標光線通過輸入窗52的折射相對於輸入透鏡54為恆定，且失真減小。最好將輸入窗52的尺寸選擇成，將關節內窺鏡30與目標輸入組件的其它元件協作的視域範圍最大化。輸入窗52可由玻璃或其它一些合適的材料形成。輸入窗52用諸如粘結劑之類的物質固定就位，並且可加以密封以在外殼管31的端部形成一密封的封閉。較佳地，外殼管31的輸入端32形成這樣，即，外殼管邊緣的形狀與輸入窗52的輪廓形狀相同，並延伸超出輸入窗52的表面，以在關節內窺鏡30操作過程中、在不與輸入目標光線幹擾的情況下為輸入窗52提供最大的保護。
輸入透鏡54和第一鏡面56可以移動，並一起改變關節內窺鏡30的視域和將捕獲的影像引導到第二鏡面58。輸入透鏡54和第一鏡面56繞其移動和相對於其定位的公共軸，限定了輸入透鏡54和第一鏡面56的較佳的對齊。目標輸入組件50的輸入透鏡54定位在外殼管31的輸入端32內靠近輸入窗52處。在圖3-10所示的實施例中，輸入透鏡54是一錐形負透鏡。然而，可使用任何合適的透鏡。輸入透鏡54可移動並繞軸90轉動。輸入透鏡54在最大向上觀察位置(圖3)和最大向下觀察位置(圖4)之間轉動，近似地對應於由輸入窗52提供的視域並被其限定。輸入透鏡54最好固定安裝在一輸入透鏡框架80上。輸入透鏡框架80在一端支承輸入透鏡54並在另一端繞軸90樞轉。輸入透鏡框架80由一控制機構移動。輸入透鏡54安裝在輸入透鏡框架80上，以使輸入透鏡54的光學中心線或光軸朝向軸90的中心線。
第一鏡面56相應地定位成將從輸入透鏡54接收到的目標光線反射到固定的第二鏡面58。第一鏡面56繞軸90樞轉，且其運動與輸入透鏡54的運動互補。軸90的中心線與第一鏡面56的前反射表面共面。當輸入透鏡54移動時，第一鏡面的位置必須改變，以保持目標光線所需的定向。由於鏡面的幾何形狀，從一鏡面反射光線的角度改變將是鏡面反射平面角度改變的兩倍，例如，當鏡面從第一位置轉到第二位置時。因此，第一鏡面56以互補的方向繞軸90，以輸入透鏡54繞軸90轉動的角度改變率的一半的速率轉動。即，當輸入透鏡繞軸90轉動過第一轉動角時，第一鏡面56繞軸90樞轉過第二轉動角，該第二轉動角是第一轉動角的一半。第一鏡面56對應地在最大向上視域位置(圖3)和最大向下視域位置(圖4)之間轉動。與輸入透鏡54的移動一起，第一鏡面56的轉動改變關節內窺鏡30的視域。在另外一些實施例中，輸入透鏡54和第一鏡面56可在一系列預先限定的位置之間移動，或可移動到關節內窺鏡30範圍內的任何位置。第一鏡面56最好安裝在第一鏡面框架86上。一控制器調整第一鏡面56的位置。在目標輸入組件50的中間視域，第一鏡面56的反射表面相對於管31的縱向取向是水平的，且輸入透鏡54定位成使透鏡54的光軸在鏡面56的平面上方與其夾45°角。在所示的實施例中，中間視域的中心因此是從水平軸(圖6)，即，管31的縱軸，向上夾45°角。
通過輸入透鏡54、第一鏡面56和第二鏡面58獲得的目標光線，最好通過中繼透鏡組件60分程傳遞到關節內窺鏡30的外控制部分35。最好是這樣分程傳遞光線，即，保持影像的質量並最大程度地減小畸變。第二鏡面58固定就位，以反射捕獲的目標光線進入中繼透鏡組件60。第二鏡面58最好校準成使反射的目標光線平行於中繼透鏡組件60的光軸，上述光軸最好平行於外殼管31的縱軸線。中繼透鏡組件60、最好與從第二鏡面58反射的軸向光線同軸。在不同的實施例中，中繼透鏡組件60是一透鏡或一系列透鏡，其中之一通常稱之為物鏡和中繼透鏡系統。在另一些實施例中，中繼透鏡組件60可以是分級折射率透鏡或具有變化折射率的其它透鏡。在還有一些實施例中，中繼透鏡組件60可以由一光纖粘合束取代。儘管中繼透鏡組件60顯示為包含在外殼管31的輸入端32內，但中繼透鏡組件60通常進一步朝向控制端33延伸。如果中繼透鏡組件60由一光纖粘合束取代或由一分級折射率透鏡系統取代，則每個通常將基本沿外殼管31的長度延伸。中繼透鏡組件60可以是傳統的結構，例如，為穩定起見而具有一外部的不鏽鋼套筒，或者，中繼透鏡組件60可安置在一切入中繼光導120中的槽內。中繼透鏡組件60將目標光線引導朝向一接納器，例如一聚焦透鏡組件55。
輸入透鏡54和第一鏡面56的運動使得關節內窺鏡30的觀察位置以及由此在關節內窺鏡30內捕獲的特定的輸入影像可以變化。調整輸入透鏡54和第一鏡面56的控制器將它們協調地調整以保持所需的對齊。參見圖6-10，較佳地，一推桿70引導輸入透鏡54和第一鏡面56的運動。通過一輸入透鏡連接杆74與輸入透鏡框架80接合的推桿70調整輸入透鏡54的位置。輸入透鏡連接杆74通過軛銷76在推桿軛72處與推桿70連接。輸入透鏡連接杆74通過輸入透鏡框架銷78與輸入透鏡框架80連接。當推桿70沿外殼管31的縱軸線前後移動時，連接杆74變換輸入透鏡框架80的位置，從而變換輸入透鏡54的位置。通過第一鏡面連接杆82與第一鏡面框架86接合的推桿70調整第一鏡面56的位置。第一鏡面連接杆82通過軛銷77在推桿軛72處與推桿70連接。軛銷76和77設置在推桿軛72的相對側並且同軸。第一鏡面連接杆82通過第一鏡面框架銷84與第一鏡面框架86連接。當推桿70前後移動時，第一鏡面連接杆82調整第一鏡面56的角度。
第一鏡面連接杆82在軛銷77處固定於推桿軛72，且輸入透鏡連接杆74在軛銷76處與軛連接。由於軛銷76和77為同軸，所以兩個連接杆同步移動。較佳地，從軸90到輸入透鏡框架銷78的距離是從軸90到第一鏡面框架銷84的距離的一半。隨著推桿70沿側向移動某一距離，由於輸入透鏡弧的半徑是第一鏡面弧的半徑的一半，所以輸入透鏡54的角度改變較佳地是第一鏡面56的角度改變的二倍。圖8-10中所示的連接杆、軸和輸入透鏡框架銷以及第一鏡面框架銷的定位和相對比例，較佳地最大程度減小在相對角度變化中的任何誤差。應予以理解的是，任何可保持鏡面和輸入透鏡的所需幾何形狀的機械結構都是合適的；例如，可以採用一個以上的推桿。
為了最大程度地減小記錄影像的失真，較佳地，目標光線通道的長度在關節內窺鏡的視域變化時保持不變。目標軸向光線62通過輸入透鏡54的光學中心到第一鏡面56的中心。由於第一鏡面56的中心固定在輸入透鏡54以恆定半徑繞其轉動的軸90的中心線上，所以該距離是固定的。目標軸向光線62然後從第一鏡面56的中心反射到相對於第一鏡面56固定的第二鏡面58。軸向光線然後從第二鏡面58沿相對於第二鏡面58固定的中繼透鏡組件60的光軸反射。由於目標軸向光線62的每一段具有固定的長度，從輸入透鏡54到中繼透鏡系統60d目標軸向光線62的長度隨關節內窺鏡30的視域變化而保持不變。目標邊緣光線64通過輸入透鏡54到第一鏡面56。由於軸向光線64與輸入透鏡52的光軸同軸，所以所有目標邊緣光線64關於軸向光線62對稱。只要所有目標光線對稱地反射或折射到任何垂直於軸向光線62的平面，例如中繼透鏡系統60的第一透鏡，目標光線的長度保持不變。在本發明的某些實施例中，該特徵可允許視域在無畸變和影像質量變化的情況下改變。
現參見圖11和12，在另一實施例中，一固定的稜鏡59而不是第二鏡面58，可將從第一鏡面56反射的影像光線引入中繼透鏡組件60。稜鏡59接收目標光線並在內部沿所需的方向反射目標光線。由於稜鏡59的輸入和輸出表面垂直於目標軸向光線62，且目標邊緣光線64在這點上幾乎平行，所以稜鏡59保持相對光線長度與第二鏡面58類似。用稜鏡59替代第二鏡面58可減小輸入透鏡系統聚焦長度，由此提高影像質量。此外，如圖11和12所示，輸入透鏡54可以是由兩個球形透鏡組成的雙合透鏡，它比很小尺寸的單一錐形負透鏡更容易構造。
如圖2所示的照明組件42包括帶有一外部光纖光導的光源41，以將光發射到延伸進入關節內窺鏡30內的光中繼組件43。可使用任何傳統的外光源和光導。通常，外光源41以傾斜於外殼管31軸線的角度連接。照明組件42可包括一聚光透鏡，以將來自外光源41的光聚焦到光中繼組件43的輸入端。光中繼組件43沿外殼管31的縱軸線使光線重新定向，並將光線發射到外殼管31的端部32。光中繼組件43可包括一個或多個光纖束。在某些實施例中，光中繼組件43是延伸到關節內窺鏡30的輸入端32的光纖束。在另一些實施例中，光中繼組件43可包括除光纖束以外的其它結構。參見圖13和14，在某些實施例中，光中繼組件43是一桿基光中繼組件100，它包括一輸入杆110和一中繼杆120。杆基光中繼組件100的某些實施例的一個優點是，橫截面僅由一個杆限定，且光不會在光纖束中的光纖芯之間損失。杆110和120較佳地相互結合，這樣，輸入光導杆110接收從外光源41的光纖光導發出的光，並將其傳送到中繼杆120。中繼杆120將光從輸入杆110傳送到關節內窺鏡30的遠端32，以照明觀察區域。光中繼組件100較佳地設計成將最大光量從光源傳送到觀察區域。光中繼組件100較佳地設計成接納與光中繼組件的光軸斜交的光線；這種光通常與光軸斜交成40°或更大。外光源41的外部光導的每個光纖發射一等於光纖數值孔徑兩倍的光錐。在每個光錐的邊緣是最大斜交光線，而在每個光錐的中心是中心光線。在最大斜交光線之間，無限數量的光線從中心光線散開。每條光線最好發射到觀察區域。圖14示出通過光中繼組件110傳輸的中心光線130和斜交光線132的途徑。
輸入杆110和中繼杆120由塑料或其它透明的材料組成，例如，丙烯酸或聚碳酸酯，其適於用作一光導。中繼杆最好這樣定位，即，它與輸入杆成一夾角而延伸，例如呈垂直狀，以適應外光源41相對於外殼管31的取向，並沿管31的軸線重新定向光線。從外光源41發出的光進入輸入杆110，在輸入杆110與中繼杆120結合處轉彎，並從中繼杆120的相對端出來，通過輸入窗52到觀察區域。輸入杆110和中繼杆120，除了其輸入端和輸出端之外，具有全部的鏡面。由於鏡面，光中繼組件100不依賴於全內反射的數值孔徑極限來集合和傳送光通過其長度。其結果，光點尺寸的不匹配、光纖芯位置以及數值孔徑的不匹配不會造成如經常發生在光纖中的光集合和傳輸效率的損失。較佳地，每條進入輸入杆110的光線，在輸入杆110和中繼杆120之間的連接處反射進入中繼杆120，並通過中繼杆120進入觀察區域。
輸入杆110除了在其輸入面111和輸出面112之外，在其表面上進行鏡面處理。較佳地，輸入杆110的直徑等於或略大於外部光導的總直徑。較佳地，中繼杆120的直徑大於輸入杆110的直徑。由於杆110，120相互以90°或其它角定位，所以杆110，120的直徑的較大差異，將提高光轉彎的效率。中繼杆120的直徑由管31內的可用空間確定。弧面121的尺寸較佳地做成確保最大斜交光線沿中繼杆120的長度反射並不會返回通過輸入杆110。最大斜交光線的角度取決於從外光源41發出的光線。中繼杆120的輸入端在表面121處做成弧度，在該處，從輸入端進入的光線反射，即，表面121與中繼杆120和輸入杆結合處的表面相對。較佳地，弧面121的半徑基本上等於或大於中繼杆120的直徑。較佳地，參見圖13的視圖，弧面121的中心124在輸入杆110左邊緣的左邊。
中繼杆120較佳地沿外殼管31的縱軸線延伸，並在關節內窺鏡30的輸入窗52的附近終止。除了中繼杆120除了從輸入杆110的輸出面112上接收光線以及在表面123處釋放光線之處以外，中繼杆120在其表面加工成鏡面。中繼杆120的輸出端在靠近輸入窗52處具有一上部弧形部分123和一下部弧形部分122。下部弧形部分122加工成鏡面以沿所需的方向反射光，即，反射出輸入窗52。上部弧形部分123暢通以使傳遞的光通過窗52逸出杆120的端部，從而照明觀察區域。較佳地，加工成鏡面的下部弧形部分122和暢通的上部弧形部分123一起向觀察區域提供儘可能多的光，並減少漫射到不需照明的非工作區域的光。下部弧形部分122中心的位置和下部弧形部分122的長度，確定觀察區域將被照明的角度以及引導到工作區域的光量。下部鏡面弧形表面122的半徑較佳地等於或大於中繼杆120的直徑。參見圖13的視圖，下部弧形部分122的中心125在中繼杆端部的上部上的鏡面的端部的左邊。較佳地，每條光線將由表面122向前朝觀察區域反射，且不返回通過中繼杆120。上部弧形表面123的大小也確定光量和離開中繼杆120的光線的方向。上部弧形表面123較佳地設計成從下部弧形表面122反射的光線，以小於上部弧形表面123的臨界角的角度投射到上部弧形表面123，並逸出杆120，而不是在內部反射返回通過杆120。上部弧形表面123較佳地在觀察區域以均勻分布漫射光。上部和下部表面122，123的精確比例取決於觀察區域所需要的關節內窺鏡30的照明特性。
圖15A-18D示出一用來操縱推桿的機構，以操作目標輸入組件控制器和調整關節內窺鏡30的視域。在關節內窺鏡30的控制端35，推桿70延伸進入並接合一滑動件148。該滑動件包括一具有一軸向中繼透鏡開口158的主體157；中繼透鏡開口158還延伸通過滑動件148的一放大端159。一插口161對齊和將推桿70連接到滑動件148。在所示的實施例中，控制杆插口161直接位於用於中繼透鏡的軸向開口158的下方。
凸輪/軸件162的凸輪部分165位於滑動件148中的中心橫向開口163處。開口163的截面不是很圓；它略微放大或伸長。凸輪/軸件162包括一圓形截面的大控制鈕軸連接段164；一圓形偏軸線的凸輪段165包括一中繼透鏡組件槽口166，以及一小控制鈕軸連接段167。兩個控制鈕149，150示於圖17A-17C，它們安裝在凸輪/軸件162的外端164和167上。控制鈕149，150包括一右側的控制鈕149，它安裝在凸輪/軸件162的大控制輪軸連接段164上。第二個或左側的控制鈕150安裝在凸輪/軸件162較小的控制鈕軸連接段167上。轉動連接於凸輪/軸件162的控制鈕149，150，造成凸輪/軸件162的偏軸凸輪165與滑動件148的中心橫向開口163接合，致使滑動件148為響應凸輪/軸件162的轉動而側向移動，如圖18C和18D中虛線區域168所示。
在另一些實施例中，滑動件148也可以是電氣驅動的。滑動件148可用一步進電機來驅動。一步進電機可驅動凸輪/軸件162，或凸輪/軸件162例如可用一與滑動件148接合的驅動螺杆取代。步進電機和驅動螺杆較佳地是在關節內窺鏡30的內部，並安裝成平行於滑動件148的運動。滑動件148也可用安裝在關節內窺鏡30內部的一壓電定位器來驅動。例如，可以通過電氣按鈕或操作計算機軟體來電氣地操作關節內窺鏡30。
現在可以討論關節內窺鏡30的操作。在開頭，從外光源41發出的光被聚焦在光中繼組件43上，該光中繼組件43較佳地是一桿基光中繼組件100。光通過光中繼組件43，並對就在關節內窺鏡30的輸入端32之外的外科工作區域進行照明。在關節內窺鏡30中，通過光中繼組件43的光可以從第二鏡面58反射(至少一部分)到第一鏡面56的反射表面，然後，通過輸入透鏡54進入被照明的觀察區域。從觀察區域反射的光作為投射到第一鏡面56上的目標光線通過輸入窗50和輸入透鏡54。目標光線從第一鏡面56導向投射到第二鏡面58或稜鏡59上。從第二鏡面58或稜鏡59，目標光線被重新引導朝向中繼透鏡組件60的輸入端。中繼透鏡組件60將影像通過聚焦透鏡組件55提供給CCD附件36，供外科醫生或使用關節內窺鏡30的其它人員觀察影像。
如果使用關節內窺鏡30的操作者對通過CCD附件36得到的影像不滿意，可使用控制鈕149，150來提供外科區域不同部分的影像。這樣，提供給外科醫生或使用儀器30的其它人員的影像，可以在不用改變儀器位置的情況下改變很大程度。實際上，不用改變儀器的軸線，儀器30的全部觀察範圍可以從外殼管縱軸的下方約15°延伸到外殼管縱軸的上方約105°。影像的進一步改變或修正可通過合適的軟體來實現。
在對儀器30的整體操作沒有明顯影響的情況下，儀器30的若干部件可以不同於以上所述的而進行修改。例如，可以修改推桿70；推桿70構成用來操作輸入透鏡和第一鏡面的一操作機構，但也可使用能按上述的關係移動輸入透鏡和第一鏡面的任何機構。凸輪/軸和滑動件控制機構也可改變。外殼管31外端的傾斜角可按要求變化；可以優選一種形狀類似於輸入窗輪廓形且延伸超過輸入窗的弧形，以在不幹擾目標光線的情況下提供對輸入窗的最大保護，但可根據儀器30的主要用途而定。可以認識到，用於顯示的CCD單元的使用並不重要。用於顯示的軟體可以有很大不同。
這裡所使用的文字，其目的在於引用說明而不是限制。儘管本發明參照優選的實施例進行特別的展示和敘述，但本技術領域內的技術人員可以認識到，在不脫離本發明的精神和範圍的前提下，可對本發明的裝置作各種修改和變化。
權利要求
1.一種可變視域的關節內窺鏡，具有多於一個的觀察位置，其包括一第一觀察位置和一第二觀察位置，該關節內窺鏡包括一輸入窗；一可移動的輸入透鏡；一可移動的第一鏡面；一目標中繼組件；其中，輸入窗，輸入透鏡，第一鏡面和目標中繼組件這樣設置進入關節內窺鏡的目標光線通過輸入窗和輸入透鏡到第一鏡面，並從第一鏡面朝目標中繼組件反射。
2.如權利要求1所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，還包括一固定的對齊光學元件，該固定的對齊光學元件定位成目標光線從第一鏡面反射到對齊光學元件，並從對齊光學元件進入目標中繼組件。
3.如權利要求2所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，輸入透鏡繞一輸入透鏡軸線可轉動。
4.如權利要求3所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，第一鏡面繞一鏡面軸線可轉動。
5.如權利要求4所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，鏡面軸線與第一鏡面的反射面共面。
6.如權利要求5所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，第一鏡面具有一前反射面。
7.如權利要求6所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，輸入透鏡軸線和鏡面軸線平行。
8.如權利要求7所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，輸入透鏡軸線和鏡面軸線是同一公共軸線。
9.如權利要求8所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，第一鏡面繞公共軸線在第一觀察位置和第二觀察位置之間的角度轉動，是輸入透鏡繞公共軸線在第一觀察位置和第二觀察位置之間的角度轉動的一半。
10.如權利要求8所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，還包括一封裝輸入透鏡、第一鏡面、對齊光學元件和影像中繼組件的外殼管，該外殼管具有一觀察端，觀察端被輸入窗封閉，輸入窗是球形的並具有帶有弧度的第一表面和帶有弧度的第二表面，輸入窗的第一和第二表面的弧度繞一公共中心點而同心。
11.如權利要求10所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，公共中心點在公共軸線上。
12.如權利要求8所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，還包括一輸入透鏡框架，其中，輸入透鏡安裝在輸入透鏡框架的第一端，輸入透鏡框架具有一靠近公共軸線的第二端，並具有在公共軸線上的一樞轉點。
13.如權利要求8所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，還包括一控制器，該控制器包括一具有一滑動端和一輸入組件端的推桿。
14.如權利要求13所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，控制器還包括一在輸入組件端連接於推桿的推桿軛，一通過一第一軛銷連接於推桿軛且通過一輸入透鏡框架銷連接於輸入透鏡框架的輸入透鏡連接杆，第一鏡面安裝在一第一鏡面框架上，以及一通過一第二軛銷連接於推桿且通過一第一鏡面框架銷連接於第一鏡面框架的第一鏡面連接杆，第一和第二軛銷是共軸的。
15.如權利要求14所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，從公共軸線到輸入透鏡框架銷的距離是從公共軸線到第一鏡面框架銷的距離的一半。
16.如權利要求13所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，控制器還包括一在滑動端處連接於推桿的滑動件，滑動件可側向移動，一用來移動滑動件的凸輪/軸組件，以及一操縱凸輪/軸組件的視域控制器。
17.如權利要求2所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，還包括一封裝輸入透鏡、第一鏡面、對齊光學元件和影像中繼組件的外殼管，該外殼管具有一觀察端，觀察端被輸入窗封閉，輸入窗是球形的並具有帶有弧度的第一表面和帶有弧度的第二表面，輸入窗的第一和第二表面的弧度繞一公共中心點同心。
18.如權利要求2所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，對齊光學元件是一第二鏡面。
19.如權利要求2所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，對齊光學元件是一稜鏡。
20.如權利要求2所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，輸入透鏡是一錐形負透鏡。
21.如權利要求2所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，輸入透鏡是一由兩個球形透鏡構成的雙合透鏡。
22.一種可變視域的關節內窺鏡，具有多於一個的觀察位置，其包括一第一觀察位置和一第二觀察位置，該關節內窺鏡包括一輸入透鏡；一第一鏡面；以及一稜鏡；其中，輸入透鏡、第一鏡面和稜鏡設置成相協作而捕獲和引導從一在關節內窺鏡的各觀察位置的目標發出的光，使光線通過輸入透鏡到第一鏡面，從第一鏡面反射到稜鏡，並在內部按一所需方向反射通過稜鏡。
23.如權利要求22所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，鏡面是可轉動的。
24.如權利要求23所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，輸入透鏡是可轉動的。
25.如權利要求24所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，鏡面和輸入透鏡繞同一軸線轉動。
26.如權利要求25所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，鏡面繞軸線在第一觀察位置和第二觀察位置之間的角度轉動，是輸入透鏡繞第一軸線在第一觀察位置和第二觀察位置之間的角度轉動的一半。
27.如權利要求22所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，還包括一中繼透鏡系統，其中，稜鏡在關節內窺鏡的各觀察位置將目標光線引導入所述中繼透鏡系統。
28.如權利要求27所述的可變視域的關節內窺鏡，其特徵在於，中繼透鏡系統具有一光學中心，其中，稜鏡定向成將從鏡面接收的一軸向的目標光線反射到中繼透鏡系統的光學中心。
29.一種用來操縱可變視域的關節內窺鏡中的目標輸入組件的關節內窺鏡控制器，該關節內窺鏡具有多於一個的觀察位置，其包括一第一觀察位置和一第二位置，目標輸入組件是可移動的，且目標輸入組件的取向確定關節內窺鏡的觀察位置，該關節內窺鏡控制器包括一具有輸入組件端和滑動端的推桿，該推桿在輸入組件端與目標輸入組件連接，推桿在對應於第一觀察位置的一第一位置和對應於第二觀察位置的一第二位置之間可側向移動；一為目標輸入組件選擇位置的控制鈕，該控制鈕是可轉動的；以及一將控制鈕的轉動轉換為側向移動的凸輪-軸組件，該凸輪-軸組件在滑動端連接於控制鈕和推桿，凸輪-軸組件產生推桿的側向移動，使推桿響應於控制鈕的轉動而在第一位置和第二位置之間移動。
30.如權利要求29所述的關節內窺鏡控制器，其特徵在於，推桿鉸接地連接於輸入透鏡和第一鏡面。
31.一種用於關節內窺鏡的光導組件，關節內窺鏡包括一沿縱軸線延伸的外殼管，該光導組件包括一輸入杆，其具有一輸入端和一中繼杆端，並沿一第一軸線延伸；以及一中繼杆，其具有一輸入杆端和一輸出端，並沿一第二軸線延伸，中繼杆在輸入杆端與輸入杆中繼杆端結合，使第二軸線基本上垂直於第一軸線；輸入杆和中繼杆由一光傳遞材料形成。
32.如權利要求31所述的光導組件，其特徵在於，輸入杆和中繼杆在端部處具有光通過表面，除了該光通過表面之外，輸入杆和中繼杆的表面經鏡面處理。
33.如權利要求32所述的光導組件，其特徵在於，中繼杆的直徑大於輸入杆的直徑。
34.如權利要求32所述的光導組件，其特徵在於，中繼杆的輸入杆端在輸入杆與中繼杆結合處的相對位置具有一弧形表面。
35.如權利要求34所述的光導組件，其特徵在於，中繼杆的弧形表面的曲率半徑大致等於或大於中繼輸入杆的直徑。
36.如權利要求32所述的光導組件，其特徵在於，中繼杆的輸出端具有一第一弧形表面和一第二弧形表面，第一弧形表面經鏡面處理，第二弧形表面是透明的，第一弧形表面定位成反射來自中繼杆的輸入杆端的光線，第二弧形表面定位成反射來自中繼杆的輸入端的光線和來自第一鏡面弧形表面的光線。
37.如權利要求36所述的光導組件，其特徵在於，第一弧形表面的曲率半徑等於或大於中繼杆的直徑。
全文摘要
一可變視域的關節內窺鏡或類似的儀器(內診鏡等)包括帶有一目標輸入端的外殼管。外殼管包含一目標輸入組件和一光中繼組件的一部分。目標輸入組件包括一輸入透鏡和一第一鏡面。在某些實施例中，目標輸入組件包括一第二鏡面，而在另一些實施例中，目標輸入組件包括一稜鏡。目標輸入組件將從一觀察區域接受到的影像傳遞到一目標中繼組件，目標中繼組件將該影像目標發射到關節內窺鏡的控制端。在某些實施例中，光中繼組件由兩個鏡面的杆組成。一控制器改變目標輸入組件的位置，以變化關節內窺鏡的觀察位置。在某些實施例中，控制器包括由一滑動件和凸輪/軸組件驅動的推桿。
文檔編號A61B1/317GK1561178SQ01814755
公開日2005年1月5日 申請日期2001年8月24日 優先權日2000年8月30日
發明者W·E·杜萊爾 申請人:杜萊爾及吉特利斯股份有限公司