Miniaturaktuatorik für Endoskope


Zusammenfassung

Abbildung 1: Videoendoskop der Firma Olympus [1]

Endoskope sind in vielen Anwendungsfeldern der minimal-invasiven Chirurgie unersetzlich. Neue Funktionalitäten für Videoendoskope erfordern die Entwicklung geeigneter Mikro-Aktuatoren. Dies sind u.a. Fokussierung unterschiedlicher OP-Bereiche, Filterwechsel bei photodynamische Diagnose sowie die Realisierung einer variablen Blickrichtung. Die geforderten Randbedingungen der Medizintechnik wie Zuverlässigkeit oder Autoklavierbarkeit mussten dabei erfüllt werden.

Die Bearbeitung des Projektes erfolgte 2009 - 2012 in enger Kooperation mit der Firma Olympus Surgical Technologies Europe, Hamburg.

Motivation

Abbildung 2: Schwenkbarer Filter zur Detektierung von Tumoren [1]

Die Bildgebung durch Endoskope ist eine Schlüsseltechnologie für die minimal invasive Chirurgie. Ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung der starren Endoskope war die Einführung von Videoendoskopen mit einem Bildaufnehmer an ihrer Spitze.

Aus dem Konsumbereich wie z.B. Digital- oder Handy-Kameras bekannte Funktionalitäten wie (Auto)Fokus, optischer Zoom oder Makro-Funktion sind auch bei Videoendoskopen wünschenswert, können dort aber nur durch geeignete Aktuatoren realisiert werden. Zudem können für die Endoskopie wichtige Funktionen wie ein schwenkbarer Filter oder eine variable Blickrichtung ermöglicht werden.

Projektbeschreibung

Ziel des Projektes war es, diese neuen Funktionalitäten für Videoendoskope
in der minimal invasiven Chirurgie durch die Entwicklung geeigneter Aktuatoren
umzusetzen.

Abbildung 3: Miniaturisierter Aktuator

Das Risiko des Projektes lag in der Übertragbarkeit von bekannten Aktuatorprinzipien auf die Endoskopie. Die Rahmenbedingungen stellen unter zwei Aspekten eine große Herausforderung für die Aktuatorik dar:

  1. Der zur Verfügung stehende Bauraum in der Endoskopie ist sehr beschränkt. Für die Integration von Aktuatoren steht typischerweise ein Bauraum mit einem Durchmesser von 6 mm zur Verfügung.
  2. Die Aktuatoren müssen eine Langzeitbeständigkeit gegen CDS Prozesse (u.a. Autoklavieren) aufweisen. Beim Autoklavieren wird überspannter Wasserdampf bei 134° C und 2,3 bar Druck zur Sterilisation eingesetzt.


Zentrale Meilensteine des Projektes waren:

  • Definition eines Anforderungsprofils für Aktuatoren in der Endoskopie, das sich aus den oben genannten Anwendungen ergab
  • Recherche bekannter Aktuatortechnologien. Abgleich des Anforderungsprofils und der vorhanden Technologien. Auswahl geeigneter Aktuatoren zur Umsetzung der oben genannten Anwendungen.
  • Verifikation der ausgewählten Wirkprinzipien an Funktionsmustern für die verschiedenen aktuatorischen Aufgaben.

Referenzen

[1] Olympus Surgical Technologies Europe, Hamburg, 2009
[2] Universität zu Lübeck, Institut für Biomedizinische Optik, 2009
[2] Olympus KeyMed Patent US 6,560,013B1

Publikationen

Ph. Abel
"Miniaturisierte Aktuatorenr die Umsetzung optischer Funktionalitäten in medizinischen Videoendoskopen"
Dissertation, Otto-von-Guericke Universität Magdeburg, Fakultät für Maschinenbau. 2012

Ph. Abel, St. Klein, R. Kasper, P. Schouwink
"Miniaturized actuators for optical functions in medical videoscopes"
Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, Volume 57, Issue Sl-1 Track H, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585, September 2012

Ph. Abel, St. Klein, P. Schouwink
"Actuators in medical endoscopy"
Biomedizinische Technik/Biomedical Engineering, Volume 56, Issue s1, page 6, ISSN (Online) 1862-278X, ISSN (Print) 0013-5585,DOI: 10.1515/BMT.2011.468, September 2011 (Link)