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Entwicklung eines Endoskops mit flexibler Endoskopspitze für die minimal-invasive Chirurgie

Bühs, Florian

Inst. Maschinenkonstruktion und Systemtechnik

Die minimal-invasive Chirurgie hat inzwischen sowohl in der Diagnostik als auch in der Therapie große Fortschritte gemacht und in verschiedenen Bereichen konventionelle Behandlungsmethoden bereits verdrängt. Neben den wesentlich kleineren Narben sprechen vor allem die geringeren postoperativen Schmerzen und die kürzere Heildauer für diese Technik. Die heute üblichen Arbeitsbedingungen der minimal-invasiven Chirurgie erschweren die Arbeit für den Operateur auf unterschiedliche Arten. Bedingt durch den kleinen Blickwinkel handelsüblicher Endoskope kann der Arzt nur einen eingeschränkten Teil des Operationssitus betrachten. Da die Endoskopkamera von einem Assistenten gehalten wird, ist eine gute Abstimmung mit diesem für eine effektive Bildsteuerung erforderlich. Das Ziel der Arbeit bestand darin, ein neuartiges Endoskop zu entwickeln, um die genannten Probleme bei minimal-invasiven Eingriffen zu beseitigen, wobei die flexible Spitze die Bildsteuerung und die Bildstabilität verbessert und gleichzeitig den Sichtbereich vergrößert. Die motorisierte Steuerung der Endoskopspitze erlaubt in Kombination mit einer Halterung das automatisierte Anfahren von definierten Sichtbereichen. Weiterhin lassen sich Zusatzinformationen auf dem Videobild überlagern. Die elektronische Ansteuerung ermöglicht zusätzlich die Integration verschiedener Mensch-Maschine-Schnittstellen, wodurch die Endoskopsteuerung vereinfacht wird, da sie vom Chirurgen nur einmal eingestellt werden muss. Die Umsetzung der flexiblen Endoskopspitze erfolgte anhand der Entwicklung von Gelenkführungen. Die Funktion der Gelenkführung wurde zuerst analytisch und anschließend numerisch beschrieben. Die systematische Untersuchung führte zu verschiedenen, geeigneten Gelenktypen, von denen zwei allen Belastungsuntersuchungen standhielten. Die Bewegung der Spitze wird mit motorisierten Spindeln erzeugt. Ein besonderer Fokus lag bei allen Komponenten auf der Eignung zum Einsatz in medizintechnischen Produkten. Gegenüber allen am Markt erhältlichen Systemen erlaubt das Endoskop die Änderung des Blickwinkels, ohne dabei den Bildhorizont zu verdrehen. Dabei wird eine sehr hohe Genauigkeit beim wiederholten Anfahren von festgelegten Positionen erreicht. Die Steuerung der Spitze wurde von verschiedenen Anwendern schnell und intuitiv erlernt. Zusätzlich zu der Entwicklung des Endoskops erfolgte die Auslegung eines angepassten optischen Moduls. Dieses beinhaltet ein fokussierbares Linsensystem und einen dazu passenden Linearaktor zum Verstellen einzelner Linsen. Der Schwerpunkt dieser Entwicklung betraf den Aufbau eines miniaturisierten Aktors mit erheblich vereinfachter Fertigung und Montage. Der Aktor zeichnet sich durch eine konventionelle Ansteuerung, eine geringe Zahl seiner Einzelteile, ein minimales Prellverhalten und eine hohe Wiederholgenauigkeit aus.
Minimally invasive surgery has now made great progress both in diagnostics as well as in therapy and has displaced the conventional treatment methods in several areas already. The advantages of this technique are significantly smaller scars, less postoperative pain and especially shorter healing times. Today's normal working conditions of minimally invasive surgery make it difficult in different ways for the surgeon to work. Due to the limited angle of view of commercial endoscopes, the physician can consider only a limited part of the surgical site. Since the endoscope camera is held by an assistant, a good coordination is necessary for an effective image control. The aim of this dissertation was to develop a new type of endoscope in order to solve the specified problems in minimally invasive surgery. The produced endoscope improves image control, image stability and simultaneously increases the viewing area. The motorized control of the endoscope tip in combination with a holder allows the automated finding of defined areas. Furthermore, additional information can be overlaid on the video image. The electronic control also allows the integration of various human-machine interfaces. These simplify the endoscope control crucially because they are set only once by the surgeon. The implementation of the flexible endoscope tip was based on the development of an appropriate joint guidance. The function of the joint guidance was first described analytically and then numerically. The following systematic study led to different suitable types of joints. Two of them passed all stress tests. The movement of the tip is generated by motorized spindles. It was ensured that all components are suitable for use in medical products. Unlike all systems available on the market, the endoscope allows the change of the angle of view without rotating the horizon of the image. Here, a very high accuracy is achieved with the repeated finding of fixed positions. The control of the tip was learned quickly and intuitively by different users. In addition to the development of the endoscope, a custom optical module was designed. The module includes a focusable lens system and a customized linear actuator for the movement of the lenses. The focus of this development was the construction of a miniaturized actuator with a significantly simplified fabrication and assembly. The actuator consists of only a small number of parts and features a simple control, a minimal bounce behavior and high repeatability.