RGB-Laserlichtquelle
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Bei minimal-invasiven Eingriffen werden über mehrere kleine Zugänge die Instrumente und das Endoskop in den Bauchraum eingebracht. Um das Operationsgebiet bei dieser indirekten Betrachtungsweise auch erkennen zu können, wird über das Endoskop zusätzlich Licht von einer Beleuchtungseinrichtung eingekoppelt. Heutige Lichtquellen sind massive externe Geräte, die über ein langes Glasfaserkabel das Licht in den Griff und von dort intern bis zur Spitze des Endoskops leiten. Dieses Lichtkabel erschwert die Führung und belastet den Anwender, so dass es verschiedene Ansätze gibt, ohne dieses auszukommen.
Eine Möglichkeit besteht darin, die Beleuchtungselemente als LEDs direkt an der Endoskopspitze zu platzieren. Dabei besteht jedoch die Gefahr, den Patienten durch eine ungewollte Berührung mit der erwärmten Spitze zu verletzen. Werden die LEDs direkt in den Griff integriert und das Licht von dort mittels Faser bis zur Spitze geleitet, sind die Wärmeverluste besser beherrschbar, es kommt jedoch aufgrund der breiten Abstrahlcharakteristik zu beträchtlichen Koppelverlusten.
Ein anderer Weg ist daher, die Weißlichtquelle mittels Laserdioden zu realisieren. Dies sind Halbleiterelemente mit vergleichbarer Effizienz und Baugröße wie LEDs, jedoch mit deutlich konvergenterer Abstrahlung. Dadurch sind Koppelverluste in die zur Spitze führende Faser erheblich reduziert. Durch die Kombination von rotem, grünem und blauem Licht lässt sich für den Betrachter ein Weißeindruck erzeugen, und man kann die Farbtemperatur durch die unabhängigen Lichtquellen variieren, um dadurch die Darstellung einzelner Strukturen im Operationsgebiet gezielt zu verändern.
Das Licht der drei Laserdioden muss vor dem Transport durch das Endoskop parallelisiert und gebündelt werden. Um das ganze Lichtmodul im Griff integrieren zu können, ist dafür eine äußerst kompakte Gestaltung nötig. Beim Vergleich verschiedener Designs ist schließlich ein optisches Modul entstanden, das alle Komponenten zum Kollimieren und Kombinieren der Lichtanteile enthält. Gradientenindexlinsen parallelisieren die Strahlen, eine Anordnung aus mehreren polarisierenden Strahlteilern, einer dualen Verzögerungsplatte und einem dichroitischen Spiegel fusioniert die drei Teilstrahlen unter gleicher Ausrichtung. Trotz der geringen Baugröße von ca. 11 x 24 x 42 mm lassen sich die Strahlen noch über eine Feinjustierung nachstellen, indem die äußeren Strahlteilerwürfel axial verschoben oder rotiert werden.
Aufbau
und Strahlengang im optischen Modul,
Prototyp mit den Maßen 11 x 24 x
42 mm
Verschiebung der roten und blauen Teilstrahlen in der Beleuchtungsebene (links) bei Verschiebung oder Verkippung der vorgespannten polarisierenden Strahlteiler (rechts)
Die auftretenden Wärmeverluste werden nicht allein über den Griff abgegeben, sondern es wurde ein Latentwärmespeicher entwickelt, der für die Dauer des Eingriffs die Temperatur im Lichtmodul konstant hält. Dessen Funktion basiert auf dem Prinzip, dass ein Stoff beim Phasenübergang von fest zu flüssig Wärmeenergie aufnimmt, ohne die Temperatur zu verändern. Diese Substanzen müssen oberhalb der Handtemperatur, jedoch unterhalb der zulässigen Grenze von 41°C schmelzen, eine hohe Schmelzenthalpie besitzen, zyklenstabil und medizinisch unbedenklich sein. Bei den untersuchten Materialien schnitt das Polymer n-Eicosan am besten ab.
Temperaturstabilisierung
während des Phasenübergangs (links),
Prototyp des Latentwärmespeichermoduls (rechts)
Das Lichtmodul wird von dem Latentwärmespeichersegment umgeben und stabilisiert dieses bei fünf Watt Eingangsleistung über einen ausreichenden Zeitraum.
Aufgrund der Kohärenz des
Laserlichts erscheint auf manchen Oberflächen ein körniges Muster aus
helleren und dunkleren Flecken, das als Specklemuster bezeichnet wird.
Dies mindert die visuelle Wahrnehmbarkeit der beleuchteten Strukturen
und muss vermieden werden. Ein praktikabler Weg ist die zeitliche
Mittelung der Muster über die Variation des Lichtwegs. Schon geringste
Verlagerungen der Koppelstelle oder des Lichtleiters führen zu einem
anderen Wegverlauf durch die Faser und damit zu einem veränderten
Musterbild.
Prinzip
der zeitlichen Mittelung der Specklemuster (rechts)
durch Variation des Laufwegs innerhalb einer Lichtfaser (links)
Zu diesem Zweck sind verschiedene
Speckle-Schwingmodule entstanden, beispielsweise mit Reluktanz- oder
Piezoantrieben, alternativ mit vielfacettierten elektromotorisierten
Elementen. Durch die Optimierung dieser Module ließen sich die
Speckleneigung deutlich reduzieren und das Leuchtbild wurde
homogenisiert.
Speckle-Modul: facettierte Schwungscheibe, CAD-Modell (links) und Prototyp (rechts)
Speckle-Modul: Reluktanzschwinger, CAD-Modell (links) und Prototyp (rechts)
Bildausschnitt
einer laserbeleuchteten Testoberfläche ohne (links)
und mit
Speckle-Reduktion (rechts)
sowie die Auswirkung auf das
Intensitätsprofil entlang einer Bildlinie (Mitte)
Alle Komponenten, die für eine laserbasierte endoskopische Lichtquelle erforderlich sind, wurden erfolgreich entwickelt und getestet, so dass sich das Modul in ein Endoskop einbauen lässt. Wie zu erkennen ist, besteht im distalen Griffsegment genügend Platz, um die Kameraeinheit zur Bildauswertung sowie die Ansteuerelektronik für die einzelnen Lichtquellen und das Speckle-Modul unterzubringen.
Durch den Einbau des Moduls sowohl
in flexible als auch in starre Endoskope mit zum Teil sehr geringen
Schaftdurchmessern lässt sich die Diagnostik erheblich erweitern, da
bisher viele verschiedene angepasste Systeme benötigt werden. Das
gleichzeitig obsolet werdende und damit wegfallende externe
Lichtleitkabel stellt für den Anwender eine enorme ergonomische
Erleichterung dar und trägt durch die ruhigere und präzisere Führung
des Endoskops zu einer Verbesserung der Bildqualität bei.
Veranschaulichter Aufbau der RGB-Laserlichtquelle in einem Endoskopgriff