Mikroantrieb mit Gigawirkung

Fokus- und Zoomfunktion für Endoskope der jüngsten Generation

  • Endoskope, die minimal invasive Eingriffe ermöglichen, wie hier bei der Bauchspiegelung (Laparoskopie), erleichtern den Patienten postoperative Heilprozesse. Endoskope, die minimal invasive Eingriffe ermöglichen, wie hier bei der Bauchspiegelung (Laparoskopie), erleichtern den Patienten postoperative Heilprozesse.
  • Endoskope, die minimal invasive Eingriffe ermöglichen, wie hier bei der Bauchspiegelung (Laparoskopie), erleichtern den Patienten postoperative Heilprozesse.
  • Die für eine optische Fokus- und Zoomfunktion notwendige Aktorik lässt sich prinzipiell bei Chip-on-the-Tip-Endoskopen auch zwischen Optik und Bildverarbeitungs-Chip unterbringen. Bei Durchmessern von lediglich 10 mm ist der potentielle Einbauraum allerdings sehr, sehr knapp bemessen.
  • a) Kleine Piezo-Ultraschallantriebe eignen sich für die Verstellung der Fokus- und Zoom-Linsen.
  • b) Ein ringförmiger Piezomotor bewegt eine Autofokuslinse. Die Mechanik ist in die Ansteuerplatine integriert.

Bisherige Chip-on-the-Tip-Endoskope nutzen Fixfokus-Optiken, die nur einen Objektabstand optimal darstellen können. Befindet sich das Objekt jedoch in einer anderen Entfernung, verliert das Bild an Schärfe. Mit der Integration eines winzigen Antriebs besteht jetzt die Chance zu integrierten Fokus- und Zoomfunktionen, sodass das Objekt stets optimal scharf abgebildet werden kann.

Die moderne Medizintechnik strebt danach, Patienten durch aufwändige Operationen und den damit verbundenen Heilprozessen möglichst wenig zu belasten. Endoskope, die minimal invasive Eingriffe (MIC) ermöglichen, leisten dazu einen wichtigen Beitrag wie beispielsweise bei einer Bauchspiegelung (Laparoskopie). Hier sind heute statt eines langen Schnittes, wie er in der offenen Abdominalchirurgie erforderlich ist, nur zwei bis drei kleine Inzisionen (Einschnitte) notwendig. Über sog. Arbeitstrokare werden dann Optiken und spezielle Instrumente wie etwa Scheren, Häkchen, Fasszangen, Ultraschallscheren in die Bauchhöhle eingeführt. Der Patient hat nach dem Eingriff geringere postoperative Schmerzen und kann aufgrund der schnelleren Genesung früher aus dem Krankenhaus entlassen werden. Das Risiko von Wundinfektionen oder -heilstörungen wird minimiert. Dadurch können auch Patienten behandelt werden, deren schlechter Allgemeinzustand eine offene Operation infrage stellt.

Endoskopspitze mit Bildsensor

Die Technik der klassischen Endoskopie hat sich zwischenzeitlich etabliert und besitzt einen hohen Reifegrad. Lange Zeit fielen die Fortschritte bei der Verbesserung der Bildübertragung eher klein aus. Mit dem relativ jungen Feld der Mikroelektronik eröffneten sich aber hier neue, interessante Perspektiven, welche vor Jahren nicht denkbar waren. Ein Beispiel dafür ist die Integration des Bildsensors in der Endoskopspitze - sog. Chip-on-the-Tip-Endoskope. Die Vorteile dieser Methode liegen in der gestochen scharfen und klaren Bildqualität sowie in der direkten, vereinfachten Bildübertragung. Und Störanfälligkeiten bei mechanischer Beanspruchung gehören der Vergangenheit an.
Bei der herkömmlichen Endoskopietechnologie konnte allerdings bei Bedarf zwischen Okular und Kamera ein sog.

Zoom- und Fokusobjektiv angebracht werden. Dadurch waren ein Scharfstellen auf unterschiedliche Objektabstände und eine optische Vergrößerung möglich. Beides geschah manuell, wirkte sich aber vor allem in der Laparoskopie sehr hilfreich aus. Die digitale Zoom-Funktion der Chip-on-the-Tip-Technologie dagegen lässt lediglich eine Ausschnittvergrößerung zu, die immer mit einem Qualitätsverlust verbunden ist. Die beliebig hochauflösenden CCD- oder CMOS-Chips schaffen in dieser Anwendung ebenfalls keine Abhilfe, da die Lichtmenge, die der Optik zur Verfügung steht, immer begrenzt bleibt. Ohne diese Fokusfunktion muss also ein Kompromiss aus Tiefenschärfe und Bildhelligkeit gefunden werden, was bei vielen Anwendern auf Missfallen stößt.

Optische Zoomfunktion mit Mikroantrieb

Solche Kompromisse könnten allerdings bald der Vergangenheit angehören, denn prinzipiell lässt sich die für optische Fokus- und Zoomfunktionen notwendige Aktorik bei Chip-on-the-Tip-Endoskopen auch zwischen Optik und Bildverarbeitungs-Chip unterbringen. Bei Durchmessern bis zu lediglich 10 mm ist der potentielle Einbauraum allerdings sehr knapp bemessen. Passende Antriebe für die Zoom- und Fokuslinse zu finden, scheint schwierig, ist jedoch keineswegs unmöglich.
Kleine Piezomotoren und Voice-Coil-Antriebe beispielsweise könnten sich hier ein neues Einsatzgebiet erschließen. Die Karlsruher Firma Physik Instrumente, die schon seit Jahrzehnten als Spezialist für kleine, meist piezobasierte Präzisionsantriebe gilt, hat auch miniaturisierte lineare Direktantriebe im Programm, die für den Einsatz in modernen Mikroskopen gute Voraussetzungen bieten.

Kleine Piezo- oder Voice-Coil-Antriebe

Interessante Lösungsansätze gibt es beispielsweise mit Piezo-Ultraschallantrieben. Die Direktantriebe, die in unterschiedlichen Bauformen existieren, verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Unabhängig von der Bauform ist das Funktionsprinzip immer gleich: Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators werden entlang eines bewegten Läufers in lineare Bewegung umgewandelt und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an, auf dem dann die Linse befestigt ist. Insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Stellbereich. Das Resultat sind leichte Antriebe, die sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 100 mm/s eignen und ungeregelt mit einer Bewegungsauflösung von ca. 100 nm arbeiten.

Piezobasierte Trägheitsantriebe sind dank ihrer geringen Abmessungen und ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses für den Endoskop-Einsatz geradezu prädestiniert. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt für ebenfalls unbegrenzte Stellwege mit einer Auflösung von wenigen Nanometern. Ein piezoelektrischer Aktuator dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktuator so schnell, dass er am bewegten Teil entlanggleitet, da dieser aufgrund seiner Trägheit der Bewegung des Aktuators nicht folgen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach und erinnert an eine Sägezahnspannung.

Last but not least sind für die Realisierung einer optischen Fokus- und Zoomfunktion auch magnetische Antriebslösungen denkbar, etwa Voice-Coil-Antriebe der PIMag-Serie. Diese Linearantriebe, die auch als Tauchspulenantriebe bezeichnet werden, arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip wie Lautsprecher. Für die in Endoskopen erforderlichen Stellwege zwischen einigen Millimetern und Zentimetern sind sie ebenfalls gut geeignet, da ausgesprochen kleine Bauformen realisierbar sind. Aufgrund dieser antriebstechnischen Möglichkeiten darf die Öffentlichkeit gespannt sein, welche in Chip-on-the-Tip-Endoskopen der nächsten Generation zu besserer Bildqualität und Tiefenschärfe beitragen werden.

 

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