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Kleinstantriebe Präzisionsantriebe für Endoskope

Redakteur: Peter Reinhardt

Chip-on-the-Tip-Endoskope nutzen Fixfokus-Optiken, die nur einen Objektabstand optimal darstellen können. Ändert sich die Entfernung, verliert das Bild an Schärfe. Mit der Integration eines Kleinstantriebs wird eine variable Fokussierung möglich sein, so dass das Objekt scharf abgebildet werden kann.

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Bild 1 | Präzisionsantriebe für Endoskope: Ein ringförmiger Piezomotor bewegt eine Autofokuslinse. Die Mechanik ist in die Ansteuerplatine integriert.
Bild 1 | Präzisionsantriebe für Endoskope: Ein ringförmiger Piezomotor bewegt eine Autofokuslinse. Die Mechanik ist in die Ansteuerplatine integriert.
(Bild: PI)

Die Medizintechnik strebt danach, Patienten durch Therapien möglichst wenig zu belasten. Endoskope, die minimal-invasive Eingriffe (MIC) ermöglichen, leisten dazu einen wichtigen Beitrag. Der Patient hat nach dem Eingriff geringere postoperative Schmerzen und kann aufgrund der schnelleren Genesung früher entlassen werden. Das Risiko von Wundinfektionen wird minimiert. Dadurch können auch Patienten behandelt werden, deren schlechter Allgemeinzustand eine offene Operation in Frage stellt.

Integration des Bildsensors in der Endoskopspitze

Die Technik der klassischen Endoskopie hat sich etabliert. Lange Zeit fielen die Fortschritte bei der Verbesserung der Bildübertragung eher klein aus. Mit der Mikroelektronik eröffneten sich neue Perspektiven. Ein Beispiel dafür ist die Integration des Bildsensors in der Endoskopspitze bei Chip-on-the-Tip-Endoskopen. Die Vorteile dieser Methode liegen in der gestochen scharfen und klaren Bildqualität, in der der Vergangenheit angehörigen Anfälligkeit bei mechanischer Beanspruchung und in der direkten, vereinfachten Methode der Bildübertragung.

Bei der herkömmlichen Endoskopietechnologie konnte allerdings bei Bedarf zwischen Okular und Kamera ein so genanntes Zoom- und Fokusobjektiv angebracht werden. Dadurch waren ein Scharfstellen auf unterschiedliche Objektabstände und eine optische Vergrößerung möglich. Beides geschah manuell, wirkte sich aber vor allem in der Laparoskopie sehr hilfreich aus.

Die digitale Zoom-Funktion der Chip-on-the-Tip-Technologie dagegen lässt lediglich eine Ausschnittsvergrößerung zu, die immer mit einem Qualitätsverlust verbunden ist. Die beliebig hoch auflösenden CCD- oder CMOS-Chips schaffen in dieser Anwendung ebenfalls keine Abhilfe, da die der Optik zur Verfügung stehende Lichtmenge immer begrenzt bleibt. Ohne diese Fokusfunktion muss also ein Kompromiss aus Tiefenschärfe und Bildhelligkeit gefunden werden, was auf Missfallen stößt.

Zoomfunktion für Chip-on-the-Tip-Endoskope

Solche Kompromisse könnten allerdings bald der Vergangenheit angehören, denn im Prinzip lässt sich die für optische Fokus- und Zoomfunktionen notwendige Aktorik bei Chip-on-the-Tip-Endoskopen auch zwischen Optik und Bildverarbeitungs-Chip unterbringen. Bei Durchmessern bis zu lediglich 10 mm ist der potentielle Einbauraum allerdings sehr knapp bemessen. Passende Antriebe für die Zoom- und Fokuslinse zu finden, scheint schwierig, ist jedoch keineswegs unmöglich.

Kleine Piezomotoren und Voice-Coil-Antriebe beispielsweise könnten sich hier ein neues Einsatzgebiet erschließen. Physik Instrumente, ein Spezialist für kleine, meist piezobasierte Präzisionsantriebe, hat auch miniaturisierte lineare Direktantriebe im Programm, die für den Einsatz in modernen Mikroskopen gute Voraussetzungen bieten (Bild 1).

Kleine Piezomotoren oder Voice-Coil-Antriebe

Interessante Lösungsansätze bieten beispielsweise Piezo-Ultraschallantriebe. Die Direktantriebe, die es in unterschiedlichen Bauformen gibt, verzichten zugunsten der Kosten und der Zuverlässigkeit auf mechanische Komponenten klassischer Motor-Spindel-Antriebssysteme wie Kupplung oder Getriebe. Unabhängig von der Bauform ist das Funktionsprinzip immer gleich: Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators werden entlang eines bewegten Läufers in lineare Bewegung umgewandelt und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an, auf dem dann die Linse befestigt ist.

Insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Stellbereich. Das Resultat sind leichte Antriebe, die sich für Verfahrgeschwindigkeiten bis etwa 100 mm/s eignen und ungeregelt mit einer Bewegungsauflösung von ca. 100 nm arbeiten.

Piezobasierte Trägheitsantriebe sind dank ihrer geringen Abmessungen und ihres günstigen Preis-/Leistungsverhältnisses ebenfalls für den Endoskop-Einsatz geradezu prädestiniert. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt für ebenfalls unbegrenzte Stellwege mit einer Auflösung von wenigen Nanometern. Ein piezoelektrischer Aktor dehnt sich aus und nimmt einen bewegten Läufer mit. Im zweiten Teil eines Bewegungszyklus kontrahiert der Aktor so schnell, dass er am bewegten Teil entlanggleitet, da dieser aufgrund seiner Trägheit der Bewegung des Aktors nicht folgen kann, also auf seiner Position verharrt. Die elektrische Ansteuerung ist einfach und erinnert an eine Sägezahnspannung.

Schließlich sind für die Realisierung einer optischen Fokus- und Zoomfunktion auch magnetische Antriebslösungen denkbar, wie die Voice-Coil-Antriebe. Diese Linearantriebe, die auch als Tauchspulenantriebe bezeichnet werden, arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip wie Lautsprecher. Für die in Endoskopen erforderlichen Stellwege zwischen einigen Millimetern und Zentimetern sind sie, da ausgesprochen kleine Bauformen realisierbar sind, ebenfalls gut geeignet. Aufgrund dieser Möglichkeiten in Sachen Antriebstechnik darf man gespannt sein, welche davon in Chip-on-the-Tip-Endoskopen der nächsten Generation zu besserer Bildqualität und Tiefenschärfe beitragen werden.

Physik Instrumente (PI)

GmbH & Co. KG,

D-76228 Karlsruhe,

www.pi.ws

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