Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3929
Main Title: Entwicklung und Aufbau eines medizinischen Videoendoskops mit integrierten LED-Lichtquellen
Translated Title: Development and design of a medical videoendoscope with integrated LED light sources
Author(s): Brüggemann, Daniel
Advisor(s): Lehr, Heinz
Referee(s): Lehr, Heinz
Meyer, Henning
Schrader, Stephan
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: 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.
With minimally invasive operations, only minor tissue damage occurs. Thus, physical trauma is significantly reduced. Furthermore, the risk of wound infection decreases and the absence of large scars improves the cosmetic result. To this end, highly developed endoscopes are used to observe the surgical sites. Illumination, however, is still achieved by external cold-light sources, usually driven by xenon or halogen lamps. A heavy fiber-optic cable transports the light to the endoscope but leads to a cumbersome handling of the medical device. Furthermore, the operator has to accept disturbing noise emissions of fans which are necessary for dissipating the thermal power loss from a cold-light source. Hence, the aim of this thesis is to integrate white high-power light-emitting diodes (LEDs) into the endoscope. Due to developments in recent years, the luminous flux as well as the efficiency of LEDs has reached a level which allows its application in an endoscope, while complying with regulations regarding maximum temperatures of medical equipment. At the same time, the illumination of the surgical site equals that of conventional endoscopes. After describing the state of the art, the optimum position of light-emitting diodes in the endoscope is determined. To this end, illuminators could be placed either in the handle or at the tip of the device. When mounting LEDs in the handle, the generated light has to be transported to the surgical field via fiber optics. Due to the illumination characteristics of LEDs and the limited acceptance of fiber optics, there is a substantial loss of light while coupling these components. Even with additional optical elements, the efficiency will not increase notably. Analytically approximated phase space considerations of the LED’s emittance and the fiber optic’s admittance provide a descriptive, graphical representation and are precisely verified by ray tracing calculations. The results of the phase space computations are validated by experimental studies. This constitutes the first time the principle of phase space has been applied to the coupling of light from an LED into fiber optics. By integrating light-emitting diodes into the tip of the endoscope, the entire luminous flux is available for illumination of the surgical site. However, heat transfer to the endoscope’s handle is necessary to avoid overheating of the tip and the shaft as the thermal loss cannot be dissipated towards the surroundings at that position. For this purpose, heat pipes were incorporated, a premier application of these devices. Measurements proved compliance with regulations regarding temperatures of medical equipment. Also, electrical safety as defined in DIN EN 60601 must be ensured when mounting LEDs at the endoscope’s tip. Based on these manifold theoretical and experimental examinations, it was possible for the first time to create a chip-on-the-tip endoscope with a straight-forward optic and two distally located light-emitting diodes, that does not show any differences to conventional endoscopes concerning optical and thermal parameters. When building a chip-on-the-tip endoscope with LED light sources and a forward-oblique optic, the picture’s horizon should to stay constant during a rotation of the endoscope to ensure an optimum orientation to the operator. Therefore, this study presents different methods, software-based as well as mechanical, to realize a constant horizon. The present thesis gives a holistic view on integrating light-emitting diodes into an endoscope. Developers obtain valuable information for future innovations, as further optimization of LEDs will make it possible to locate them in the handle of the endoscope.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-46666
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4226
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3929
Exam Date: 13-Dec-2013
Issue Date: 23-Jan-2014
Date Available: 23-Jan-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Chip-on-the-Tip-Endoskop
Elektrische Sicherheit
LED-Beleuchtung
Seitenblick-Endoskop
Wärmetransportsystem
Chip-on-the-Tip endoscope
Electrical safty
Endoscope with forward-oblique optic
Heat transfer system
LED illumination
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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