Electromechanical and Optical Systems for Endoscopy

Aktuell sind verstärkt Entwicklungen optischer Systeme in medizinischen Anwendungsgebieten, wie der Operationsmikroskopie und der Endoskopie zu verzeichnen, mit dem Ziel, die Handhabung der Instrumente zu verbessern sowie dem Chirurgen einen besseren Überblick des Operationsfelds zu verschaffen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zunächst mit Videoobjektiven, die sich in Endoskopspitzen einbauen lassen. Es werden sowohl Fixfokusoptiken, als auch optische Systeme mit beweglichen Linsengruppen zum Nachfokussieren sowie deren Vor- und Nachteile betrachtet. Als Vergleichskriterien dienen die Schärfentiefe und die Lichtstärke der Objektive. Zur Bewegung der optischen Komponenten wurde eine Reihe miniaturisierter Linearaktoren entwickelt, wobei es sich um Neuerungen handelt, bei denen die magnetische Feldenergie von Permanentmagneten zur Selbsthaltung und zur Unterstützung der Linearbewegung genutzt wird. Die Aktoren befinden sich in optischen Systemen an der Spitze von Endoskopen und bewegen dort Linsengruppen zur Einstellung der Bildschärfe und des Abbildungsmaßstabs (Zoom). Dabei reduziert der Einsatz der permanentmagnetischen Felder die aufzubringende elektrische Energie, so dass für den Patienten keine schädliche Erwärmung der Endoskopspitze auftritt. Bei der Erarbeitung der neuen Konzepte und der Entwicklung der Prototypen wird unter anderem die Tauglichkeit der Konstruktionen im Bezug auf die spätere medizinische Zulassung und deren Serienproduktion berücksichtigt. Die Linearmotoren zeichnen sich durch einen sehr einfachen Aufbau und vergleichsweise geringe Anforderungen an die Fertigungs- und Montagegenauigkeit aus. Ein weiterer Vorteil dieser Antriebe ist ihre Variabilität. Aufgrund des unkomplizierten Aufbaus lassen sie sich leicht für andere Anwendungen umkonstruieren und mittels FEM-Berechnung optimieren. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit bestand darin, anhand praktischer Beispiele Wege aufzuzeigen, wie sich moderne Videokameras mit Aktoren ausstatten lassen, damit eine Automatisierung der Fokus- und Zoomfunktionen erfolgen kann. Dadurch entfällt die für den Operateur oft lästige Handbedienung zur Einstellung der optischen Parameter, so dass durch den Einsatz von Aktoren auch bei medizinischen Kameras für starre Endoskope und Operationsmikroskope erhebliche Vorteile erreicht werden. Beispielsweise lassen sich dadurch Endoskope in Haltearmsystemen befestigen und der Operateur kann beide Hände für den Eingriff nutzen. Letztendlich erlaubt die Motorisierung der Videoköpfe sowie der Videokameras den Einsatz innovativer Mensch-Maschine-Systeme, wie z.B. Eye-Tracking, Sprach- oder Gestensteuerung, so dass diese Themen bei vielen führenden Medizintechnikherstellern die großen Herausforderungen in der Entwicklung darstellen.Currently, there is an increase in activity concerning the development of optical systems for medical applications, such as surgical operating microscopy or endoscopy. The aim is to improve the handling of instruments as well as to offer an enhanced overview of the operative site. First, the present thesis deals with objectives for cameras to be integrated into the endoscope tip. Fixed focus lenses as well as systems featuring movable lens assemblies are discussed in respect to their advantages and drawbacks. For this, depth of focus and light intensity of the objectives serve as discriminating factors. For moving optical components, a series of novel miniaturized linear actuators were developed utilizing the magnetic field energy of permanent magnets to achieve stable positions and to support linear movement. These actuators are used to move lens assemblies located in optical systems within endoscope tips, thus facilitating an adjustment of focus and zoom factor of said systems. Since the described use of permanent magnets reduces the necessary amount of electrical energy, no potentially harmful rise in temperature of the endoscope tip occurs. During the development of new concepts and their subsequent application in prototypes, particular care was taken to ensure the design’s suitability for future approval as medical device as well as for series production. The linear actuators are characterized by their simple setup and comparatively low requirements in regard to preciseness during fabrication and assembly. Another of the actuators’ advantages is their variability, as they are easily adapted for different applications and optimized using FEA. One further goal of this thesis was to present possibilities and examples of equipping modern video cameras with actuators so as to automate focus and zoom functionality. Thus, the surgeon is spared the tedious task of adjusting optical parameters manually. As a result, the use of actuators offers considerable advantages even for medical cameras for rigid endoscopes and operating microscopes. For example, it is then possible to attach the endoscope to a support system, allowing the surgeon to use both hands freely during an intervention. Ultimately, motorization of medical cameras allows for groundbreaking man-machine systems such as eye tracking, voice commands, or gesture recognition. Therefore, these topics pose great challenges in product development for the leading manufacturers of medical devices