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Mikrolinsen für 3D-Endoskope

04.10.2011
Chirurgen können dank moderner Endoskope immer häufiger auf große Schnitte verzichten. Für manche Eingriffe sind Instrumente mit einer 3D-Optik unerlässlich. Forscher haben einen speziellen Bildsensor entwickelt, der den Ärzten den perfekten Tiefeneindruck im Körperinneren dank Mikrolinsen ermöglicht.

Vorsichtig führt der Arzt das Endoskop durch die Nase an die zu operierende Region. Es ist ein kniffliger Eingriff. Bevor er mit der Arbeit beginnen kann, muss sich der Chirurg einen genauen Überblick verschaffen. Wie verlaufen die Blutgefäße, wo genau liegt das Tumorgewebe, wie tief muss der Chirurg in bestimmte Hirnareale vordringen? Dank der Kamera, die in das millimeterdünne Rohr eingebaut ist, sieht der Arzt alle Details gestochen scharf, Tiefeneindruck inklusive – als säße er selbst im Gehirn des Patienten. Medizinern wie etwa Neurochirurgen erleichtert das stereoskopische Sehen mit Hilfe von 3D-Endoskopen ihre Arbeit enorm. Viel zielsicherer navigieren sie durch das Gewebe. Bei Eingriffen unterlaufen weniger Fehler, die Arbeit geht schneller vonstatten.


Spezielle Mikrolinsen ermöglichen künftig den 3D-Blick ins Körperinnere. Sie bündeln die Lichtstrahlen präzise auf den Sensor. © Fraunhofer IMS

Den perfekten 3D-Blick ins Innere des Körpers verdanken zukünftig Ärzte den Forschern vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg und den Projektpartnern im EU-Projekt »Minisurg«. Während bisher nur CCD-Bildsensoren mit einer geringen Auflösung zur Verfügung standen, ist es jetzt den Wissenschaftlern gelungen, CMOS-Bildsensoren, die beispielsweise auch in Spiegelreflexkameras verbaut sind, für diese Spezialanwendung tauglich zu machen. »Dafür haben wir spezielle Mikrolinsen entwickelt«, erklärt Dr. Sascha Weyers, Projektleiter am IMS. Der Clou liegt im Strukturaufbau der CMOS-Sensoren: Über jeweils zwei Spalten des Sensors, auf denen die Pixel angeordnet sind, ist eine zylindrische Mikrolinse angebracht. Über ein davorliegendes Objektiv fällt das Licht auf die Linsen, die es auf die Pixel bündeln. Die Besonderheit dabei ist, dass das Objektiv zwei Blendenöffnungen hat. »Das ist quasi wie das rechte und das linke Auge«, sagt Weyers. Mit anderen Worten: Zwei Lichtstrahlen fallen auf die Linsen – das Licht des »linken Auges« fällt von links ein und wird auf die rechte Sensorspalte gebündelt, und umgekehrt. Unterhalb der Linsen kreuzen sich die beiden Lichtstrahlen. Das Ergebnis: Wie das Gehirn die Daten vom linken und rechten Auge verarbeitet, erhält der CMOS-Sensor zwei verschiedene Bildinformationen. Eine Software rechnet diese auseinander und verarbeitet sie getrennt. Je nach System bekommt der Arzt dann den dreidimensionalen Eindruck direkt auf dem Bildschirm zu sehen, oder aber er nutzt eine Polarisationsbrille.

Damit die Lichtstrahlen präzise auf den Sensor gebündelt werden, sind spezielle Mikrolinsen notwendig. Vor deren Herstellung berechneten die Fraunhofer-Ingenieure zunächst die optimale Form mit Hilfe von Simulationen. Das war notwendig, um Störfaktoren zu eliminieren. So muss die Linse etwa garantieren, dass rechter und linker Kanal scharf voneinander getrennt sind. Das heißt, dass nicht mehr als fünf Prozent vom einen Lichtstrahl auf den Sensorspalt des anderen Kanals einfallen – die Experten nennen das »Übersprechen«.

Anschließend passten die Forscher die üblichen Herstellungsverfahren für Mikrolinsen an die errechnete Linsenform an. Zudem mussten sie bei der Fertigung der Miniaturkameras bestimmte Anforderungen erfüllen. Mit Erfolg: Der Chip ist so winzig, dass er in ein Rohr von gerade mal 7,5 Millimeter Durchmesser passt. Zusammen mit dem Glasfaserbündel, das als Lichtquelle dient, misst das Endoskop 10 Millimeter im Durchmesser – die perfekte Größe für minimalinvasive Anwendungen in der Chirurgie.

Dr. rer. nat. Sascha Weyers | Fraunhofer Mediendienst
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/presse/presseinformationen/2010-2011/22/mikrolinsen-fuer-3d-endoskope.jsp

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