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. Das neue Laparoskopiesystem „Einstein Vision“ von Schölly Fiberoptic sorgt zusammen mit der im Handgriff integrierten hochpräzisen Antriebstechnik von PI (Physik Instrumente) Micos für eine atraumatischere OP-Welt.

Seit einigen Jahren ist ein deutlicher Wandel in der Endoskopie erkennbar: Die 3D-Technik hält 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, bestehend aus hoch brillanter Optik, Full-HD-Camera und der im Handgriff integrierten Antriebstechniken trägt damit wesentlich dazu bei, den Operationsverlauf und den anschließenden Heilungsprozess für den Patienten schonender und so komplikationsarm wie möglich zu machen.

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 bereits im praktischen Einsatz bewährte Laparoskopiesystem „Einstein Vision“ 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.

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.

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 beispielsweise 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.

Gleichstrommotor als Allroundtalent für unzählige Applikationen

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 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 der im Kamerakopf zur Verfügung stehende, beengte Einbauraum sowie die geforderte niedrige Anlaufspannung von unter 1 V. 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.

Kleine, robuste Antriebe mit hoher Leistungsdichte

Gut erfüllen ließen sich diese applikationsspezifischen Anforderungen dank einer von PI Micos für diesen Einsatzfall konzipierten Antriebslösung. Das zur Karlsruher Firma Physik Instrumente (PI) gehörende und in Eschbach bei Freiburg ansässige 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 prädestinieren. So liefert der kleine Kraftzwerg eine Leistung von 0,1 W und kann so die immerhin knapp 100 g schweren Objekte problemlos bidirektional verschieben.

1 mm² Bildsensor ermöglicht kleinste Digicam der Welt

 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 reibungsarm 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 bietet zudem 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.