Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4141
Main Title: Abhandlungen zum Einsatz elektromechanischer Antriebe bei Endoskopen mit variabler Blickrichtung sowie zu Entwicklungen der 3D-Endoskopie
Translated Title: On the application of electromechanical drives in endoscopes with variable direction of view as well as developements in 3D endoscopy
Author(s): Kelp, Martin
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: Neben Vorteilen der minimal-invasiven Chirurgie treten bei dieser sich rasant entwickelnden Technik auch Nachteile auf. So ist die räumliche Wahrnehmung bei der Darstellung des Abdomens via Laparoskop begrenzt. Ungeübten Ärzten fällt es daher schwer, sich im Bauchraum zu orientieren. Die vorliegende Dissertation präsentiert mehrere Ansätze zur Verbesserung der endoskopischen Bildgebung bei der OP-Situation. Dabei wird deutlich, dass sich mit dem Know-how aus Maschinenbau, Mechatronik und Elektronik viele Defizite überwinden lassen, um die Arbeitssituation während eines chirurgischen Eingriffs zu verbessern. Der erste Schwerpunkt der Arbeit behandelt die Variation der Blickrichtung mit einem rotierbaren Schwenkprisma, welches sich an der Spitze eines Endoskops befindet. Die Prismendrehung erfolgt bisher noch über die manuelle Verstellung eines Drehrings. Dagegen werden in dieser Arbeit eine Reihe technischer Lösungen für die motorgetriebene Einstellung des Schwenkwinkels vorgestellt. Grundsätzlich lässt sich ein Servomotor mit einer Linearspindel zur Prismenverstellung nutzen. Allerdings führen dann die Abmessungen des Servomotors zu einer nicht tolerierbaren Vergrößerung des Endoskops. Wesentlich bessere Verhältnisse ergeben sich mit speziell entwickelten elektromechanischen Aktoren: einem positionsgeregelten Linearantrieb und einem Drehaktor mit Spindeltrieb. Diese Antriebe lassen sich an die Geometrie des Endoskops anpassen, wodurch sich eine geringe Baugröße der Systeme ergibt. Eine vierte Einheit zur motorisierten Einstellung der Blickrichtung des Endoskops nutzt ein komplett anderes Konzept, indem das Schwenkprismenendoskop in der Standardausführung erhalten bleibt. Die Blickrichtung lässt sich von außen durch eine reibschlüssige Kopplung an dem Bedienrad über einen Servomotor einstellen. Ein weiterer Servomotor dreht das Endoskop um seine Längsachse. Diese vier Konzepte wurden anhand ihres Aufbaus getestet und nach unterschiedlichen Kriterien beurteilt. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der 3D-Endoskopie, wobei im praktischen Teil eine Stelleinrichtung zur synchronen Positionierung zweier Linsengruppen für die Scharfstellung des Stereobildpaars entwickelt wird. Dabei stellt die hochpräzise Führung der optischen Bauteile anhand von Permanentmagneten ein besonderes Merkmal dar. Die optischen Kanäle bleiben völlig abgeschlossen und lassen sich daher autoklavieren. Danach werden die Grundlagen des natürlichen binokularen Sehens sowie der „künstlichen“ stereoskopischen Aufnahme und Wiedergabe erarbeitet und auf die bei der Laparoskopie üblichen Objektabstände und technischen Gegebenheiten übertragen. Dies dient zur Gestaltung eines Versuchsaufbaus für ein Stereoendoskop, mit dem eine empirische Studie zur 3D-Wahrnehmung durchgeführt wurde, wobei der Schwerpunkt bei der Ermittlung des optimalen Abstands zwischen den beiden Stereokameras (Basisabstand) bei unterschiedlichen Objektabständen im Bauchraum lag. Diese Vorarbeiten führten schließlich zur Entwicklung eines neuartigen kabellosen 3D-Endoskops. Das Endoskop kommt ohne jegliche Kabelverbindung aus. Die Bildinformation wird durch Funk übertragen und die Energieversorgung erfolgt durch Akkumulatoren.
Minimally invasive procedures reduce traumata and thus the number of infections and overall recovery time in comparison to conventional open surgery. Notwithstanding all the benefits of minimally invasive surgery, there are still several deficits. Orientation and depth perception in the abdominal cavity via laparoscope are often very difficult for the surgeon. This doctoral thesis presents approaches and solutions to improve imaging in endoscopic interventions. Thereby it becomes apparent that the application of knowledge in mechanical engineering, mechatronics and electronics permits an optimization of endoscopes for minimally invasive procedures. The first chapter depicts the development of drive systems for an endoscope with a viewing angle adjustable by rotating a prism in the endoscopic tip. Whereas the different angles are originally adjusted manually by rotating a control lever, technical solutions are presented to implement a motor-driven variation of view. Therefore, four different drive concepts have been developed. The first system uses a servomotor in combination with a spindle. However, the use of a standard motor leads to an intolerable enlargement of the endoscope. Specifically developed electromechanical drives, matched to the present conditions and highly integrated into the endoscope, afford better performance. A closed-loop controlled linear position drive ensures precise adjustment of the viewing angle. In another proposed solution, a rotational actor coupled with a lead screw was integrated into the endoscope. These two drive concepts for adjusting the viewing angle where designed and optimized using finite element analysis before being manufactured. A further drive mechanism is connected to the endoscope and its lever externally. In this concept, one servomotor positions the lever and thereby adjusts the viewing angle. A second servomotor effectuates the rotation of the entire endoscope along its longitudinal axis. All these drive systems were integrated into or attached to the endoscope respectively, tested, and compared on the basis of different criteria. The second chapter of this doctoral thesis treats the issue of 3D endoscopy. This includes the development of a device for adjusting the camera focus of a stereo endoscope system. By means of extremely precise magnetic guiding, an equal sharpness of the pictures of both optical channels is assured. Both optical systems are protected by capsuled tubes to allow steam sterilization. After the description of the basics of 3D technology, the artificial stereoscopic recording and reproduction in comparison to natural binocular vision, these are adapted specifically to the conditions in laparoscopic interventions. A survey on 3D perception was conducted, providing theoretical as well as practical conclusions. These helped to design optimal stereoscopic systems for 3D endoscopy. Finally, a new wireless stereo endoscope was developed. This lightweight 3D endoscope uses two camera heads and light emitting diodes at the endoscopic tip. A battery-based power supply combined with radio transmitters for wireless picture transmission guarantee a cable-free endoscope with excellent ergonomic properties.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-55657
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4438
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4141
Exam Date: 6-Jun-2014
Issue Date: 18-Aug-2014
Date Available: 18-Aug-2014
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): 3D-Endoskopie
Elektromagnetische Systeme
Elektromechanische Antriebe
Endoskopie
Schwenkprismenendoskop
3D endoscopy
Electromagnetic systems
Electromechanical drives
Endoscope with variable direction of view
Endoscopy
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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