内窥镜探头的致动器、内窥镜探头和用于控制内窥镜探头的致动器的方法

本发明涉及一种用于内窥镜探头的致动器、一种内窥镜探头和一种用于控制内窥镜探头的致动器的方法。

内窥镜探头用于技术或医学领域，以检查难以进入的腔体中的结构。为此，将配备有细长柔性轴的探头被插入到空腔体中。轴在其前端具有轴头，该前端也被称为远端。该轴头可特别地配备有照相机。除此之外光源和/或工具可以被设置在所述轴头上。探头的轴通常具有通道，用于照相机、光源以及在适用的情况下用于工具的供电线能够被引导通过该通道。内窥镜探头与刚性内窥镜轴的不同之处在于，内窥镜探头是柔性的，因此也可以被插入到腔体中，其探头的入口是弯成角度的。使用CCD或CMOS照相机技术的图像传感器通常用作图像生成器，该图像传感器被直接布置在轴头处。省略了经由定向图像束的传统图像传输。

为了腔体能够更好地被检查，内窥镜探头被配备有轴头，该轴头能够通过至少一个致动器相对于轴移动。这使得将布置在轴头上的照相机、光源和/或工具在腔体中对准更容易。由现有技术用压力流体操纵的致动器(EP0304380B1)和装备有形状记忆合金的致动器(EP2042076B2，DE3874122T2)是已知的。用压力流体操纵的致动器具有的缺点是，必须在探头中提供压力流体，这需要相应的供给管线并且占据探头中的空间。装备有形状记忆合金的致动器具有这样的缺点，即形状记忆合金的形状变化需要加热到特定温度，然而，这在探头的使用位置通常是不期望的。形状记忆合金必须首先通过加热装置被加热或通过电导线被供给电流，使得流过形状记忆合金的电流致使合金的加热。根据使用领域，额外的冷却装置是必要的，这导致复杂的设计并占用空间。压力流体和冷却设备导致更大的探头横截面，并且另一方面限制了探头长度。

本发明的目的是提供一种用于内窥镜探头的致动器和具有致动器的内窥镜探头，其不需要任何压力流体和冷却装置，探头不被加热到高于预定的阈值温度的温度，其可靠地实现在多个循环内相对于轴的轴头的调节，允许小的和大的轴直径并且探头长度不受限制。

该目的通过具有权利要求1的特征的致动器和具有权利要求14的特征的内窥镜探头来实现。具有权利要求1的特征的致动器的特征在于，其具有由形状记忆合金制成的细长的形状记忆导线、电导体、包围形状记忆导线的导线绝缘体和包围导线绝缘体的柔性护套，该柔性护套在形状记忆导线的纵向上是耐压的。为此，电导体与形状记忆导线导电连接并且为形状记忆导线提供电流。形状记忆导线被设计成将流过其的电流的电能转换成热能，并且在该热的影响下改变形状记忆导线的长度。在纵向上测量的形状记忆导线的长度从第一长度变化到第二长度。优选地实施长度收缩。为此，优选形状记忆合金被选择，使用该合金生产的形状记忆导线具有当超过预定温度时收缩的特性。包围形状记忆导线的至少一些区段的导线绝缘体由电绝缘材料制成。这确保了来自形状记忆导线的电流不会以不期望地和不受控制地流过形状记忆导线的周围。导线绝缘体也使形状记忆导线与护套绝缘。这防止电流被分配到护套。护套对于形状记忆导线形成导向和用于支撑要传递的拉力的轴承，所述拉力由于形状记忆导线的形状变化而产生。与形状记忆导线相比，护套的长度在纵向上基本保持恒定。通过形状记忆导线相对于包围形状记忆导线的护套的长度的变化，机械运动以及拉力和压缩力可以经由致动器传递。

护套的至少一端以及形状记忆导线的一端可以机械地被固定，使得它们相对于彼此的位置不改变。为此可以设置托架。托架可以具有用于固定形状记忆导线的第一托架部件和用于固定护套的第二托架部件。在形状记忆导线的长度变化时，形状记忆导线的远离托架的端部相对于护套的远离托架的端部运动。例如，它被进一步拉进护套或被推出护套。在此行进的路径可以被传输到内窥镜探头的轴头。

因此，致动器的构造类似于鲍登线缆，在同样情况下，在耐压护套中被引导的钢丝绳相对于护套的运动也用于传递机械运动以及拉力和压缩力。

在此，致动器优选地被设计成，其具有恰好一个形状记忆导线。这由单件组成或者由沿纵向的若干连续部分组成。形状记忆导线在纵向的所有侧面上被导线绝缘体包围和封闭。如果适用的话，最多不包括与电导体的导电连接，该电导体为形状记忆导线提供电流。所述导线绝缘体被所述护套封闭，所述导线绝缘体包围的所述形状记忆导线被嵌入所述护套中。

形状记忆导线可以比护套更长或更短，或者具有相同的长度。设置有导线绝缘体的形状记忆导线的一端或两端可以设置在护套内或护套外。这取决于形状记忆导线与电导体的连接以及在适用的情况下与相应的电流源的连接。此外，这可以取决于相应的应用。

形状记忆合金是特殊金属合金，其可以以两种不同晶体结构存在。它们也经常被称为记忆金属。虽然大多数金属在其熔点之前总是具有相同的晶体结构，但是形状记忆合金根据温度具有两种不同的结构。由于晶格结构根据温度的变化而发生形状变化。通常存在称为奥氏体的高温相和称为马氏体的低温相。这些可以通过改变温度而转换。

结构转变与温度变化的速度无关。为了引发相变，温度和机械应力参数是相等的，这意味着不仅可以由热量引起转变，而且可以通过机械应力引起转变。

形状记忆导线通过电流被加热以便实现所期望的运动。这不由附加的加热装置执行，并且特别地不由附加的加热丝执行，而是由流过形状记忆导线的电流执行。根据应用，所施加的电压可以是交流电压或恒定或脉冲直流电压，如果有必要，可以是脉冲宽度调制(PWM)的目标形式。借助于可用的电应力，其在形状记忆导线上以热的形式耗散，由于形状记忆合金的导电材料的特殊电阻而发生加热。该形状记忆导线位于电绝缘的且很大程度的热稳定性的导线绝缘体中，该导线绝缘体又嵌入护套中以尽可能最佳地产生致动力。

致动器的操作仅需要电压源，致动器经由电导体与该电压源连接。电流在该电导体上从电压源流到形状记忆导线。不需要压力流体。因为形状记忆导线直接被流过它的电流加热，所以不必加热形状记忆导线的整个周围环境。这导致致动器的加热总量不高于具有形状记忆合金的已知致动器，该已知致动器另外配备有加热装置。此外，形状记忆导线被导线绝缘体和护套包围，这减少了热辐射。因此，冷却装置可以被放弃。进一步地，致动器具有小的横截面并且仅通过电流供电。因此，它可以用于具有小直径和大直径的探头。此外，探头长度不受致动器限制，因为除了用于致动器操作的电流供电之外，不需要其它装置。相应的电流供电可以借助于电导体在长距离上提供。

根据本发明的有利实施例，在由流过形状记忆导线的电流产生的热的影响下，形状记忆导线的长度变化是收缩的。当电流流过形状记忆导线且该形状记忆导线被加热到特定温度时，形状记忆导线收缩。形状记忆导线的这种收缩导致形状记忆导线的长度从第一长度(也可以被称为初始长度)缩短到第二长度(可以被称为制造长度)。这种长度收缩可以被转换为拉力。作为用于形状记忆导线的形状记忆合金是特别合适的材料，通过这种材料在形状记忆导线应用于致动器之前，该形状记忆导线被机械地拉长。也就是说，由形状记忆导线的制造长度改变为形状记忆导线的初始长度，其中制造长度小于初始长度。在电流流过的形状记忆导线产生的热量的影响下，形状记忆导线再次收缩并转变为其制造长度。为此，必须超过相应变形所需的变形温度。初始长度对应于权利要求1中规定的第一长度。制造长度对应于权利要求1中规定的第二长度。如果电流不再流过形状记忆导线并且冷却到变形温度以下，则它可以再次被机械地延长，使得它再次具有其制造长度。为此所需的拉力可以被弹簧或第二致动器提供。每两个致动器可以作为第一致动器和第二致动器形成致动器对。两个致动器交替地被供给电流，以使内窥镜探头的轴头沿一方向或相反方向偏转。在该过程中，第一致动器的拉力用于将第二致动器的形状记忆导线延伸回到制造长度。第二致动器的拉力相应地用于将第一致动器的形状记忆导线延伸回到制造长度。

根据本发明的另一有利实施例，导线绝缘体在形状记忆导线和护套之间形成柔性导管。因此，导线绝缘体不仅提供形状记忆导线与其周围环境的电绝缘，而且确保当形状记忆导线相对于护套再次收缩或延伸时形状记忆导线在护套中的最平滑的可能滑动。

根据本发明的另一有利实施例，导线绝缘体由聚酰胺制成。该材料在特定温度范围内是电绝缘的、热稳定的；在该特定温度范围内，当致动器操作时形状记忆导线发生变形并且还具有良好的滑动特性。

根据本发明的另一有利实施例，护套由带或线形成，该线被卷绕成圆柱形的螺旋。这种螺旋的护套具有必要的纵向压缩强度和径向柔性，易于制造且重量轻。

根据本发明的另一有利实施例，该螺旋由金属被缠绕而成。例如，由弹簧钢、不锈钢或其它金属制成的带适合用于此。该螺旋也可由线被缠绕而成。

根据本发明的另一有利实施例，护套配备有包围护套的护套绝缘体，该护套绝缘体使护套与其周围环境热绝缘。因此，防止了由于电流流过的形状记忆导线而导致的致动器向致动器周围的热辐射。

根据本发明的另一有利实施例，形状记忆导线的一端被机械地固定在托架上。这要求由形状记忆导线的加热触发的长度变化仅对形状记忆导线的相对端有影响。护套优选地也以一端固定在托架上。托架可以具有用于固定形状记忆导线的第一托架部件和用于固定护套的第二托架部件。

根据本发明的另一有利实施例，形状记忆导线在托架处连接到电导体。因为固定在托架处的形状记忆导线的端部不移动，所以它特别适合于与电导体连接。特别地，固定形状记忆导线的一端的第一托架部件可以采取允许在电导体和形状记忆导线之间建立导电连接的形式。如果护套的一端固定在第二托架部件上，则第二托架部件与第一托架部件电绝缘。

根据本发明的另一有利实施例，机械拉绳被耦合在形状记忆导线的远离托架的端部。在此，拉绳成为致动器的形状记忆导线与待操作的内窥镜探头的轴头之间的连接件。利用拉绳，形状记忆导线和内窥镜探头的轴头之间的距离可以被调和，在该距离内不发生加热或者在该距离内没有电流流动。

根据本发明的另一有利实施例，形状记忆导线经由定位套连接到拉绳。可选地，形状记忆导线和拉绳可通过胶合、钎焊、压接或焊接而彼此连接。

根据本发明的另一有利实施例，拉绳的至少一些部分也被导线绝缘体和护套包围。可选地，拉绳也可仅部分地被导线绝缘体包围。作为另外的选择，拉绳也可以仅部分地被护套包围。

根据本发明的另一有利实施例，通过护套在形状记忆导线的基本上整个轴向长度上和在拉绳的基本上整个轴向长度上延伸。

根据本发明的另一有利实施例，形状记忆导线在一端与电导体连接，并且在另一端连接到参考电位，优选地连接到零电位。这个零电位也称为地电位。

具有权利要求14的特征的内窥镜探头通过中空体构成的细长轴，通过在轴的远端上的轴头，其中轴头能够相对于轴移动，以及通过至少一个根据本发明的致动器，其相对于轴对准轴头被示出。所使用的致动器的数量取决于内窥镜探头的应用。如果仅仅需要轴头相对于轴在一个方向上的一个运动，则可以在探头中使用一个或两个致动器。为了在垂直于该轴线的平面中移动该轴头，可以使该探头围绕该轴的纵轴被转动。轴头在至少两个方向上的运动的情况下，探头可以配备有三个或四个致动器。在仅有一个或两个致动器的情况下，轴的横截面小于具有三个或四个致动器。具有三个致动器的本发明的实施例具有的优点是，其轴的横截面小于具有四个致动器的情况，并且轴头在多个方向上的运动仍然是可能的。对于具有三个致动器的探头，优选地使用两个致动器来实现，以在第三致动器偏转之后将轴头移回其起始位置，并且如果需要，将第三致动器的形状记忆导线拉回其初始长度。两个致动器必须同时被控制并被提供电流。在此，三个致动器的执行可以根据控制而不同。

为用户提供操作设备用于操作探头的致动器。可以是控制手柄或控制杆、一个或多个滑动控制器或用于计算机监视器的光标控制器。该操作设备耦合控制装置，该控制装置针对性地通过电压源向致动器供应电流。

根据本发明的另一有利实施例，致动器设置在内窥镜探头的轴中。由形状记忆导线施加的拉力被传递到轴头。为此，形状记忆导线直接或间接地连接到轴头上。

根据本发明的另一有利实施例，通过该致动器的纵轴与轴的纵轴基本上平行，致动器被对准。

根据本发明的另一有利实施例，至少两个致动器以这样的方式被设置在内窥镜探头的轴中，即致动器的形状记忆导线在轴的轴向上彼此偏移并且在轴向上没有重叠。这样可以防止形状记忆导线因热辐射而彼此加热。这种类型的相互加热会导致致动器的运动失真。通过偏移设置防止了致动器彼此之间的相互热影响或其它干扰。

根据本发明的另一有利实施例，内窥镜探头配备有电源。此外，内窥镜探头配备有控制装置，该控制装置向用于使轴头移动的至少一个致动器供应电流，使得致动器让轴头从指定的起始位置偏转并且将其移动到指定的终止位置，并且使轴头从终止位置移动回到其起始位置。根据内窥镜探头的使用者规定的参数，通过控制装置来实现轴头的移动。为此可以设置操作设备。这种类型的用于用户操作内窥镜探头的操作设备在现有技术中是已知的。

根据本发明的另一有利实施例，控制装置被设计成用于确定一个或多个致动器的形状记忆导线的电阻，并且根据该电阻确定形状记忆导线的偏转的实际状态，以将其与形状记忆导线的偏转的指定目标状态进行补偿。不必持续地将电流施加到形状记忆导线。在电流供应有规律的几分之一秒的短暂停顿中，可以测量电阻，并且同时检测致动器的位置，以便避免致动器和连接的机构的过载。

根据本发明的另一有利实施例，内窥镜探头配备有至少一个温度传感器。由温度传感器检测的温度被输出到控制装置上。基于给定的电阻特性曲线，根据形状记忆导线的温度可以用作其特定电阻的推断。该特定电阻可以与任何可能测量的电阻进行比较。利用温度和电阻，致动器可以借助于控制装置被控制。致动器的实际状态可以被检测并与目标状态进行比较。

根据本发明的另一有利实施例，内窥镜探头配备有至少一个第一温度传感器，其确定一个或多个致动器的形状记忆导线处的温度。因此，可以检测形状记忆导线处的控制的温度是否与由流动电流和电阻已产生的温度一致。因此，来自形状记忆导线周围的发热量或热辐射的影响可以被这种方式检测以及被控制装置侦测。

根据本发明的另一有利实施例，内窥镜探头配备有第二温度传感器，其确定轴或轴头的环境温度。以这种方式，在形状记忆导线周围环境的热源的影响可以被检测及如有必要的话被消除。

根据本发明的另一有利实施例，在轴中准确地设置致动器，该致动器将轴头从其起始位置移动到其终止位置。为了将轴头移动回到其起始位置，内窥镜探头配备有弹簧。在这种情况下，轴头只能在一个方向上偏转并移回到其起始位置。为了使轴头部能够在不同方向上偏转，内窥镜探头整体能够围绕轴的纵轴被转动。

根据本发明的另一有利实施例，内窥镜探头配备有偶数个致动器。每两个致动器形成第一致动器和第二致动器的致动器对。如果轴头通过第一致动器偏转并且从其初始位置移动到终止位置，则第二致动器随后确保轴头移动回到初始位置。在轴头被第二致动器偏转的情况下也是如此。在这种情况下，第一和第二致动器形成互相对立。

根据本发明的另一有利实施例，轴具有细长的横截面。横截面进一步地可以是矩形的。就此而言，细长轴具有剑或标枪的形状。

根据本发明的另一有利实施例，轴头可以相对于轴围绕轴头的旋转轴转动，该轴头的旋转轴基本上垂直地和轴的纵轴线对准。

根据本发明的另一有利实施例，轴头被设计为旋转板。被设计成旋转板的轴头与剑或标枪的形状的轴被结合，以及旋转板平行地和剑或标枪的形状的轴对准，则探头整体上具有平面形状。这种类型的探头举例而言适于热交换器中的涡轮机和管束的测试和检查。这种类型的探头举例而言可以被机器人或操纵器可重复地在预期的使用点插入到腔体中。用于插入腔体中的探头可以在此情况被卷绕。虽然已知的探头在卷绕配置时的运动方面通常受到很大的阻碍，但这对根据本发明的探头没有妨碍。根据本发明的探头与已知探头的不同之处还在于，仅有轴头相对于轴移动，而整个轴没有弯曲。

根据本发明的另一有利实施例，形状记忆导线直接固定在轴头上。

根据本发明的另一有利实施例，轴头具有多个环或管状的轴头节，所述轴头节能够相对于彼此移动，所述轴头节能够通过致动器相对于彼此对准。轴头节可具有用于此目的开口，致动器的形状记忆导线或为此耦合的拉绳被引导通过所述开口。

根据本发明的另一有利实施例，所述轴头节由塑料或其他电绝缘体制成。

根据本发明的另一有利实施例，所述轴头段具有开口，形状记忆导线或和致动器的形状记忆导线耦合的拉绳被引导通过所述开口。

用于控制内窥镜探头的致动器的方法的特征在于，检测致动器处的温度，检测致动器的形状记忆导线的电阻，并且根据温度和电阻的关系控制向形状记忆导线被提供的电流。

本发明的其它优点和有利实施例可以从以下描述、附图和权利要求中获得。

附图说明

附图中示出了根据本发明的致动器和根据本发明的两种内窥镜探头的实施例。示出了：

图1侧视图中的致动器的截面图，

图2根据图1的致动器的托架和导电体，

图3内窥镜探头的第一实施例，

图4根据图3的具有探头的轴头的轴的部件，

图5内窥镜探头的第二实施例，

图6根据图5的具有轴头探头的轴的部件，

图7根据图5的具有包围管的探头。

具体实施方式

图1和2以侧视图示出了致动器1的实施例。致动器1具有形状记忆导线2、导线绝缘体3、护套4、第一电导体5，该第一电导体5可被连接到电压源(图未示出)并为形状记忆导线2提供电流，以及第二电导体6，其将形状记忆导线2连接到零电位的。形状记忆导线2被导线绝缘体3包围，而该绝缘体又被护套4包围。护套4包括弹簧钢带，该弹簧钢带被卷绕成圆柱形螺旋。护套4在图1中仅部分地示出。然而，它实际上从图2中所示的托架7延伸到致动器的相对端，该致动器在图1和2中未示出。形状记忆导线2和护套4被固定在托架7处，为此通过托架7的若干通孔，形状记忆导线2被引导。具有通孔的托架7的该部分在图2中是透明的，托架7部分地由导电材料组成。在托架7中，第一电导体5以这样的方式设置，即电流能够从第一电导体5流到形状记忆导线2。经由第二电导体6，来自形状记忆导线2的电流能够流出。被连接到护套4的托架7的该部分与托架7的导电部分电绝缘。托架7具有用于支撑形状记忆导线2的第一托架部件7a和用于支撑护套4的第二托架部件，两个托架部件7a、7b在图3和5中示出。

要么形状记忆导线2的远离托架7的端部(图1和2中未示出)从护套4突出，要么还在导线绝缘体3和护套4内的形状记忆导线2被与拉绳(未示出)连接，该拉绳从护套4突出。从护套突出的该部分被与内窥镜探头的可移动轴头连接。实施例在图3至7中示出。

电流流经形状记忆导线2，该电流通过第一电导体5被输送并由第二电导体被耗散，则形状记忆导线2变热。由于这种加热，形状记忆导线的形状记忆合金基于温度相关的晶格转变发生的变形，使其变为形状记忆合金的两种晶体结构中的一种。这导致形状记忆导线的长度缩短。因为形状记忆导线2的一端被固定在托架7上，并且护套4也固定在托架7上并保持其轴向长度，所以形状记忆导线2的远离托架的一端相对于护套4移动，该移动被传递到轴头。然后，拉力作用在轴头上。

图3和4示出内窥镜探头10的第一实施例，探头10包括长轴11和可相对于轴11移动的轴头12，轴11通过电缆13与容纳有电源14和控制装置15的壳体连接。轴11具有矩形的横截面，从而其具有剑或标枪的形状。在图3和4中轴11面向观察者的表面大于垂直地对准的该轴11的表面。轴头12被设计成旋转板的形式。该旋转板的旋转轴与图3和4中的绘图平面垂直，因此垂直于轴11的纵向轴。两个致动器1a、1b被设置在轴11中，其与根据图1和2的致动器相符。因此，图3和4中的致动器的各个部件使用如图1和2中所使用的对应的附图标记。两个致动器1a、1b的形状记忆导线2，其远离托架7的端部从护套4突出。托架7具有第一托架部件7a，其中形状记忆导线2的一端被固定在该第一托架部件中。在第一托架部件7a中，第一导线5也被进一步容纳，使得第一导线与形状记忆导线电性连接。进一步地，托架7还具有第二托架部件7b，护套4的一端被固定在该托架第二部件中。两个托架部件7a和7b被设计成使得护套4相对于第一导线5和形状记忆导线2电绝缘。

形状记忆导线2的远离托架7的远端被引导，围绕以旋转板的形式被设置到轴头12上的部分圆周，并且通过螺钉16固定在轴头12上。致动器1a的形状记忆导线的加热会因此导致轴头的顺时针旋转。致动器1b的形状记忆导线的加热会导致轴头的逆时针旋转。两个旋转方向在图3中由箭头示出。借由第一温度传感器17和第二温度传感器18，在轴头12和轴11处的温度被记录，并输出到控制装置15。为此，两个温度传感器都连接到控制装置15。在致动器通过该电流被供电时，控制装置通过电流的预设参数考虑所记录的温度。

摄像头19被设置在轴头12上。

图5、图6和图7示出内窥镜探头20的第二实施例。图5以各种视图示出探头20。探头20具有细轴21和轴头22，该轴被配备有总共四个致动器1c、1d、1e、1f，它们与根据图1和图2的致动器一致。致动器在轴21中沿轴向方向布置，使得形状记忆导线在轴向方向上不重叠。它们相对于彼此偏移。这在图5的上部示出。致动器1c、1d、1e、1f的轴向长度不同。致动器1c在轴向上具有最短的长度，致动器1f具有最长的长度。在远端，形状记忆导线2通过定位套24与拉绳23连接。这在致动器1c的截面图中示出。轴头具有多个环形的轴头节25，每两个致动器1c、1d和1e、1f各自形成致动器配对。在致动器配对中，相应致动器的运动被相应另一致动器的运动补偿，使得轴头22返回到其起始位置。

环形的轴头节被25配备有多个开口，通过所述开口拉绳23被引导。致动器1c、1d、1e、1f的运动导致轴头节25相对于彼此对齐。

图7示出了根据图5和6的内窥镜探头，其具有围绕整个探头20的管26，以及组合的电源27和控制装置28。探头在这里具有相当大的轴向长度。摄像头29或30可以连接在轴头22上。

所有特征可以单独地或以任何组合对本发明都是重要的。

附图标记说明

1 致动器

1a 致动器

1b 致动器

1c 致动器

1d 致动器

1e 致动器

1f 致动器

2 形状记忆导线

3 导线绝缘体

4 护套

5 第一电导体

6 第二电导体

7 托架

7a 第一托架部件

7b 第二托架部件

8

9

10 内窥镜

11 轴

12 轴头

13 电缆

14 电源

15 控制装置

16 螺钉

17 第一温度传感器

18 第二温度传感器

19 摄像头

20 内窥镜

21 轴

22 轴头

23 拉绳

24 定位套

25 轴头节

26 管

27 电源

28 控制装置

29 摄像头

30 摄像头