Die treibende Kraft der dreidimensionalen Visualisierung:

3D-Technik hält Einzug in die medizinische Endoskopie

Einstein Vision

Patientenschonende, minimalinvasive Eingriffe beispielsweise bei Laparoskopien (Bauchspiegelungen) sind ohne hochauflösende Bildgebungsverfahren nicht denkbar. Zweidimensionale, also flächenhafte Einblicke in den Körper sind schon seit Jahren in der Endoskopie etabliert. Dreidimensionale Bilder, wie aus dem Kino bekannt, blieben dem Operateur lange verwehrt. Seit einigen Jahren ist hier ein deutlicher Wandel erkennbar; die 3D-Technik hält in die Endoskopie Einzug und hilft laparoskopische Eingriffe zu optimieren. Die lebendigen, detailgetreuen Bilder, die einem natürlichen dreidimensionalen Sehen entsprechen, ermöglichen eine bessere Hand-Augenkoordination, beugen beim Operateur Ermüdungserscheinungen vor und erleichtern die Gewebepräparation im Körperinneren. Die moderne, hochauflösende 3-D-Laparoskopie trägt damit wesentlich dazu bei, den Operationsverlauf und den anschließenden Heilungsprozess für den Patienten schonender und so komplikationsarm wie möglich zu machen. Dem Zusammenspiel aus hoch brillanter Optik, Full-HD-Camera und den im Handgriff integrierten Antriebstechniken ist dieser innovative Schritt in eine atraumatischere OP-Welt zu verdanken.

Darstellung feinste Gewebestrukturen

Anatomisch feinste Gewebestrukturen lassen sich deutlich erkennen; es kann schonender behandelt und präzise getrennt werden; chirurgische Instrumente lassen sich exakt positionieren. Bild: Universität Heidelberg

Die Schölly Fiberoptic GmbH mit Stammsitz in Denzlingen hat in den letzten Jahren einen Schwerpunk ihrer Entwicklungsarbeit auf den Bereich der 3D-Technologie gelegt und dabei beachtliche Resultate erzielt: Das neue Laparoskopiesystem „Einstein Vision“, das sich bereits im praktischen Einsatz bewährt hat, bietet eine Full-HD-Qualität in 3D, die eine wirklichkeitsgetreue Darstellung feinster Strukturen im Körperinnern liefert. Gewebe lassen sich so präzise trennen und chirurgische Nadeln exakt positionieren. Prinzipiell basiert das neue System auf der bewährten Laparoskopietechnik, besitzt allerdings im Gegensatz zu konventionellen Lösungen einen 3D-Kamerakopf und einem Roboterarm, der die Kamerabewegung stabilisiert.

Das Prinzip der 3D-Fotografie

Die prinzipielle Funktion der dreidimensionalen Fotografie lässt sich gut anhand einer Analogie aus der Natur erklären: Beim Menschen und vielen Tieren sind die Augen so angeordnet, dass sie ihre Umgebung gleichzeitig aus zwei Blickwinkeln betrachten können. Die Augen liefern dadurch zwei voneinander abweichende Bilder. Das Gehirn setzt sie zu einem Bild zusammen und „errechnet“ aus den Abweichungen den räumlichen Seheindruck. Hätte der Mensch nur ein Auge, könnte er Entfernungen und Abstände nur sehr schlecht einschätzen und würde seine Umgebung flächenhaft wahrnehmen.

Um räumliche Bilder zu erzeugen nutzen 3D-Kameras im Prinzip das gleiche Verfahren: Zwei Bilder werden aus unterschiedlichen Blickwinkeln gleichzeitig aufgenommen. Dabei müssen sich die Objektive in einem definierten Abstand, der sogenannten Stereobasis befinden. Beim menschlichen Auge z.B. beträgt der Abstand ungefähr 6,5 cm. Das „Doppelbild“ der Kamera fügt sich zu einer dreidimensionalen Aufnahme zusammen, wenn der Operateur – ähnlich wie im Kino oder beim Fernsehen – eine entsprechende Brille trägt. Resultat des Verfahrens ist eine gestochen scharfe, räumliche Aufnahme des Körperinneren, die es ermöglicht sicherer und gewebeschonender zu operieren, z.B. beim Entfernen von Tumoren oder Lymphknoten, bei Rekonstruktionen des Beckenbodens etc.

Das neue System hat einen 3D-Kamerakopf

Prinzipiell basiert das neue System auf bewährter Laparoskopietechnik, hat im Gegensatz zu konventionellen Lösungen jedoch einen 3D-Kamerakopf. Bild: Schölly

Gleichstromantrieb bewegt die Objektive

Der Abstand der aufzunehmenden Objekte zu den Objektiven ist variabel. Um dennoch eine klare Darstellung gewährleisten zu können, wurde die Kamera mit einer Zoomfunktion ausgestattet. Hierzu werden beide Objektive synchron in Sehrichtung linear verschoben. Treibende Kraft der für die Erzeugung des 3D-Bildes notwendigen gleichzeitigen Verschiebung der beiden Objektive im Kamerakopf des neuen Laparoskops ist ein Gleichstromantrieb. Mit den an den Antrieb fest angekoppelten Objektivhalterungen wird eine synchrone Bildaufnahme bei unterschiedlichen Abständen gewährleistet. Der Operateur muss hierzu lediglich einen Schalter am Kamerakopf betätigen.

Die Suche nach einem passenden Antrieb war nicht trivial. Eine Reihe an anwendungsspezifischen Anforderungen mussten erfüllt werden, wie z.B. der im Kamerakopf zur Verfügung stehende, beengte Einbauraum sowie die geforderte niedrige Anlaufspannung von unter 1 Volt. Trotz dieser niedrigen Spannung müssen die vergleichsweise schweren Objektive in jeder Lage präzise und mit einem relativ großen Stellweg von 12,7 mm verschoben werden. Hinzu kamen noch die bei medizinischen Geräten hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

Klein, robust und leistungsstark

Gleichstromantrieb als treibende Kraft

Treibende Kraft der für die Erzeugung des 3D-Bildes notwendigen gleichzeitigen Verschiebung der zwei Objektive ist ein Gleichstromantrieb. Durch die an den Antrieb fest angekoppelten Objektivhalterungen wird eine synchrone Bildaufnahme bei unterschiedlichen Abständen gewährleistet. Bild: PI miCos

Gut erfüllen ließen sich diese applikationsspezifischen Anforderungen dank einer von PI miCos, Eschbach bei Freiburg, für diesen Einsatzfall konzipierten Antriebslösung. Das zur Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) gehörende Unternehmen ist spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche und konnte auch für die Verschiebung der beiden Objektive des 3D-Laparoskops eine „maßgeschneiderte“ Lösung realisieren.

Treibende Kraft ist ein kleiner Gleichstrommotor. Der kompakte Kleinstantrieb mit lediglich 10 mm Durchmesser und einschließlich Getriebe 42 mm Länge überzeugt durch seine hohe Leistungsdichte. Die niedrige Stromaufnahme und eine geringe Anlaufspannung von unter 1 V sind weitere Eigenschaften, die ihn für die Anwendung geradezu prädestiniert erscheinen lassen. So liefert der kleine Kraftzwerg eine Leistung von 0,1 Watt und kann so die immerhin knapp 100 g schweren Objekte problemlos bidirektional verschieben.

Dazu ist der Antrieb linear zur Bewegungsrichtung angeordnet. Die rotative Bewegung wird über eine präzise Verzahnung abgegriffen und auf eine Feingewinde-Spindel übertragen, die dann den Schieber mit der Halterung für die beiden Objektive bewegt. Das Gleitlager zwischen Schieber und Führung ist dank eines speziellen Coatings reibungs- und spielarm. Letzteres trägt ebenso wie der drehmomentstarke Anlauf des Gleichstrommotors dazu bei, dass die Objektive trotz der niedrigen Spannung schnell und präzise verfahren werden können. Eine direkte Reaktion auf die Steuersignale ist so sichergestellt.

Der kleine Glockenankermotor mit eisenloser Rotorspule und Edelmetallkommutierung überzeugt zudem durch ein geringes Rotorträgheitsmoment und lässt sich dank seiner linearen Charakteristik einfach regeln. Dies übernimmt der in die Steuerung des Laparoskops integrierte Motion-Controller. Zur Begrenzung des Fahrbereichs wurde in das Antriebssystem zusätzliche eine kleine Endschalter-Platine integriert. Trotz der engen Einbauverhältnisse im Kamerakopf des Laparoskops ist also gelungen, eine „maßgeschneiderte“ und zuverlässige Antriebslösung für die Objektive zu integrieren. Von den so realisierbaren gestochen scharfen, dreidimensionalen Aufnahmen aus dem Körperinnern werden Ärzte und Patienten zukünftig immer öfter profitieren können.

Über Schölly
Seit ihrer Gründung im Jahr 1973 hat sich die Schölly Fiberoptic GmbH vom Ein-Produkt-Hersteller zum Anbieter hochentwickelter Visualisierungs-Systeme entwickelt. Heute arbeiten mehr als 500 Mitarbeiter an elf Standorten in acht Ländern für die Schölly-Gruppe. Kerngeschäft des global agierenden Familienunternehmens ist die Visualisierung für medizinische und technische Anwendungen. Alle Produkte dienen dazu Verborgenes mit Hilfe von Mikrooptik, Faseroptik und Elektronik sichtbar und für schonende Behandlungen oder Inspektionen zugänglich zu machen. Sämtliche Elemente, die diesem Zweck dienen, werden innerhalb der Schölly-Gruppe entwickelt, produziert und vertrieben. Ein eingespieltes Team hochqualifizierter Fachkräfte arbeitet Hand in Hand mit Partnern und Anwendern aus aller Welt an der ständigen Verbesserung und Weiterentwicklung der Produkte. Auch die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit an verschiedene Mentalitäten und Marktsituationen hat sich als positiv erwiesen und verschafft den Unternehmen der Schölly-Gruppe weltweit großen Zuspruch.

Über Physik Instrumente (PI)
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich Physik Instrumente (PI) mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Positioniersystemen mit Genauigkeiten im Bereich einzelner Nanometer entwickelt. Das privat geführte Unternehmen ist mit vier Sitzen in Deutschland und zehn ausländischen Vertriebs- und Serviceniederlassungen international vertreten. Über 700 hochqualifizierte Mitarbeiter rund um die Welt versetzen die PI-Gruppe in die Lage, fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik zu erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik. Die dafür benötigten piezokeramischen Elemente werden bei der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose gefertigt, einem der weltweit führenden Unternehmen auf dem Gebiet aktorischer und sensorischer Piezoprodukte. Die PI miCos GmbH in Eschbach bei Freiburg ist spezialisiert auf flexible Positioniersysteme für Ultrahochvakuum-Anwendungen sowie parallelkinematische Positioniersysteme mit sechs Freiheitsgraden und Sonderanfertigungen.
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Birgit Bauer

Business Development Manager Health Care Vertrieb bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG

Ellen-Christine Reiff

Ellen-Christine Reiff

Studium der deutschen Philologie, danach tätig bei Theater und Fernsehen, seit 1986 freie Journalistin beim Redaktionsbüro Stutensee mit Schwerpunkt Optoelektronik, elektrische Antriebstechnik, Elektronik und Messtechnik.

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