Entwicklung und Aufbau eines medizinischen Videoendoskops mit integrierten LED-Lichtquellen
Bei minimal-invasiven Eingriffen treten nur geringe Gewebeschäden auf, wodurch das physische Trauma deutlich verringert wird. Zudem sinkt die Gefahr der Wundinfektionen, und der Wegfall großer Narben verbessert das kosmetische Ergebnis. Zur visuellen Inspektion des Körperinneren werden hochentwickelte Endoskope eingesetzt, wobei die Beleuchtung nach wie vor über externe Kaltlichtquellen, in der Regel mit Xenon- oder Halogenlampen, erfolgt. Dabei beeinträchtigt das unhandliche und schwere Glasfaserkabel, welches das Licht zum Operationssitus transportiert, erheblich die Arbeit mit dem medizinischen System. Weiterhin stört die Geräuschentwicklung der Lüfter in den Kaltlichtquellen zur Abfuhr der thermischen Verlustleistung den Bediener. Das Ziel dieser Arbeit ist daher die Integration weißer High-Power-Leuchtdioden (LEDs) in das Endoskop. Der Lichtstrom sowie die Lichtausbeute nahm durch Neuentwicklungen von LEDs in den letzten Jahren erheblich zu, so dass sich bei ihrem Betrieb in einem Endoskop die zulässigen Temperaturen für ein Medizinprodukt einhalten lassen, wobei die Beleuchtungsstärke im Objektbereich den Werten von konventionellen Endoskopen entspricht. Nach Erläuterungen zum Stand der Technik wird zunächst der optimale Einbauort der Leuchtdioden im Endoskop ermittelt. Prinzipiell ist sowohl die Lokalisation im Endoskopgriff als auch im distalen Schaftende möglich. Bei der Montage der LEDs im Griff muss das Licht über Lichtleiter zum Operationssitus transportiert werden. Aufgrund der Abstrahlcharakteristik der LEDs und der beschränkten Akzeptanz eines Lichtwellenleiters treten jedoch bei der Lichteinkopplung erhebliche Verluste auf, wobei sich herausstellt, dass auch der Einsatz weiterer optischer Elemente keine Verbesserung des Einkoppelgrads bewirkt. Dies lässt sich anhand von Phasenraumbetrachtungen der Emittanz der Leuchtdioden und der Akzeptanz der Lichtleiter analytisch angenähert berechnen und anschaulich darstellen sowie präzise mit Raytrace-Rechnungen verifizieren. Experimentelle Untersuchungen belegen die Ergebnisse der Phasenraumrechnungen, welche erstmalig für die Einkopplung von Licht in Glasfaserkabel durchgeführt werden. Bei der Integration der LEDs an der Endoskopspitze steht die volle Beleuchtungsstärke direkt zur Verfügung. Allerdings lässt sich deren Verlustwärme nicht unmittelbar an die Umgebung abgegeben, so dass eine Wärmeableitung zum Endoskopgriff notwendig ist, um eine übermäßige Erwärmung der Spitze und des Schafts zu vermeiden. Hierzu werden erstmals Wärmerohre (Heatpipes) erfolgreich eingesetzt. Experimentelle Tests zeigen, dass sich damit die zulässigen Temperaturen für ein Medizinprodukt einhalten lassen. Mit der Montage von LEDs an der Endoskopspitze ist es auch erforderlich, die elektrische Sicherheit des Instruments nach DIN EN 60601 zu gewährleisten. Im Ergebnis der vielfältigen theoretischen und experimentellen Untersuchungen lässt sich feststellen, dass es erstmals gelang, ein Chip-on-the-Tip-Endoskop mit Geradeausblick-Optik und zwei distal eingebauten Leuchtdioden zu fertigen, dessen lichttechnische und thermische Parameter keine Unterschiede zu konventionellen Endoskopen aufweisen. Will man ein Chip-on-the-Tip-Endoskop mit LED-Beleuchtung und einer Seitenblick-Optik aufbauen, sollte bei einer Rotation des Endoskopschafts der Bildhorizont konstant bleiben, um dem Bediener die Orientierung zu gewährleisten. Daher zeigt die Arbeit Lösungsansätze auf, welche wahlweise eine software-basierte oder mechanische Horizontaufstellung vorsehen. Die vorliegende Arbeit bietet eine ganzheitliche Betrachtung zum Einbau von Leuchtdioden in ein Endoskop. Da es aufgrund der weiteren Optimierung von LED-Lichtquellen möglich sein wird, LEDs auch im Endoskopgriff zu platzieren, erhalten Entwickler dadurch wertvolle Hinweise für zukünftige Innovationen.
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