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1 Gerätetechnik

Uwe Gottschalk, Silvia Maeting

1.1 Endoskope

Entsprechend ihrem konstruktiven Aufbau können Endoskope in Videoendoskope, Hybridendoskope und Fiber- bzw. Glasfaserendoskope eingeteilt werden. Der Einsatz von Glasfaserendoskopen erfolgt heute nur bei speziellen schlanken Geräten, sodass die Videogeräte inzwischen als Standard angesehen werden können.

Entsprechend dem vorgesehenen Einsatzort werden Gastroskope, Duodenoskope, Cholangioskope, Enteroskope, Koloskope und Bronchoskope unterschieden. Der Aufbau dieser Geräte ist ähnlich, wobei unterschieden wird in einen Kontrollteil mit den Bedienungselementen, einen Einführungsschlauch und einen Versorgungsschlauch mit Gerätestecker. Ein Okular findet sich nur bei den reinen Glasfasergeräten. Dies hat den Nachteil, dass der Untersucher fest fixiert am Gerät bleiben muss und das Assistenzpersonal keine Sicht auf das Bild und damit bei Interventionen erheblich eingeschränkt arbeitet. Sogenannte Teaching-Optiken sind praktisch nicht mehr im Einsatz, wobei diese zu einer erheblichen Reduktion der Bildhelligkeit führten.

1.2 Bildübertragung

Die Bildübertragung bei Glasfaserendoskopen erfolgt über ein Bündel von ca. 7-10µm dicken mehrschichtig aufgebauten Glasfasern. Für eine gute Bildauflösung sind dabei ca. 42000 Fasern erforderlich, da die Anzahl der Fasern die Auflösung des Bildes bestimmen. Diese müssen so geordnet sein, dass das Bild im Okular wieder aufrecht steht und das Endoskop seine Flexibilität behält. Die Fasern sind daher nur an den Enden verklebt. Glasfaserendoskope besitzen am hinteren Ende ein Okular, an dem Brechungsfehler des Untersucherauges korrigiert werden können. Dies ist bei elektronischen Geräten nicht erforderlich. Typisch für Gasfasergeräte ist ein Bienenwabenmuster, welches durch den Aufbau der Glasfaserkabel bedingt ist.

Der Aufbau eines "Standard"-Videoendoskops unterscheidet sich vom Fiberendoskop darin, dass am Distalende des Einführungsschlauches ein Videochip sitzt, der über Kabel das Bild an den Prozessor weiterleitet. Es handelt sich dabei um einen CCD-Chip (Charged Coupled Device). Alternativ existieren Systeme mit einem CMOS-Chip (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Werden sehr kleine Chips benötigt, so kann ein Schwarz-Weiß-Chip verwendet werden. Durch den Einsatz von unterschiedlich farbigem Licht kann dann aus den Signalen ein Farbbild im Prozessor rekonstruiert werden. Die Zukunft gehört mit Sicherheit dem Farbchip.

1.3 Lichtquelle und Lichtübertragung

In den letzten Jahren haben sich Xenon-Lichtquellen mit einem dem Tageslicht nahezu entsprechenden Spektrum durchgesetzt. Dabei beträgt die Leistungsstärke einer Xenon-Kurzbogenlampe der qualitativ hochwertigen Geräte ca. 300 Watt. Die Helligkeitsregelung erfolgt zum optimalen Bildaufbau auf elektronischem Weg. Der Transport des Lichtes erfolgt über Glasfaserbündel von ca. 25000 Glasfasern zur Spitze des Endoskops ( ? Abb. 1.1, ? Abb. 1.2). Alternativ sind auch Lichtquellen mit Halogenlampen erhältlich. Eine neue Entwicklung stellt die 4-LED-Multi-Light-Technologie dar. Diese erlaubt neben dem Weißlicht eine sog. Blaulicht-Untersuchung (BLI) sowie Farbverschiebungen in der Linked Color Imaging (LCI).

Abb. 1.1 Prinzipieller Aufbau eines Einführschlauches eines modernen Videoendoskops.

1: Bildleiterbündel (Fiber-Endoskop) CCD-Chip (Video-Endoskop)

2: Lichtleiterbündel

3: Biopsiekanal

4: Abwinkelungszüge

5: Luftkanal

6: Wasserkanal

7: Metallspirale

8: Metallgeflecht

9: Kunststoffschlauch

(Olympus Deutschland GmbH)

Abb. 1.2 Prinzipieller Aufbau eines Einführschlauches eines modernen Bronchoskops.

1: Bildleiterbündel (Fiber-Endoskop) CCD-Chip (Video-Endoskop)

2: Lichtleiterbündel

3: Biopsiekanal

4: Abwinkelungszüge

5: Metallspirale

6: Kunststoffschlauch

(Olympus Deutschland GmbH)

1.4 Steuereinheiten

Die Abwinklung der Gerätespitze ist bei den einzelnen Endoskopen sehr unterschiedlich. In der Regel unterscheiden sich die Steuerungen nach den verschiedenen Ebenen. So können Aufwärtsbewegungen bis 210 Grad bestehen, wohingegen die Abwärtsbewegungen meist deutlich geringer ausfallen. Dies bedeutet in der Praxis, dass das Endoskop gelegentlich um 180 Grad gedreht werden muss, um sehr scharfe Kurven zu überwinden. Die seitlichen Abwinklungen sind meist symmetrisch, schwanken aber von 90-180 Grad.

Am Kontrollteil finden sich bei den Videoendoskopen sog. Fernbedienungstasten ( ? Abb. 1.3). Hier können verschieden Funktionen einprogrammiert werden. Dazu zählen beispielsweise Strukturverstärkung, Vergrößerung, Narrow Band Imaging - NBI (s.u.), Drucker, Bildspeicherung usw.

Abb. 1.3 Prinzipieller Aufbau eines Standard-Koloskops und eines Bronchoskops.

(Olympus Deutschland GmbH)

1.5 Optiksysteme

Entsprechend dem Einsatz der Geräte existieren unterschiedliche Fokusbereiche, wobei es inzwischen möglich ist, sich bis auf 2mm der Schleimhaut zu nähern. Dieser Nahfokus ermöglicht das Heranbringen der Endoskopspitze so dicht an das Gewebe, dass die entstehenden Makro-Abbildungen eine ähnliche Qualität wie Zoom-Abbildungen haben. So existieren häufig elektronische Vergrößerungsfunktionen, die eine Vergrößerung des Schleimhautbereiches ermöglichen. Daneben sind optische Systeme mit einer mechanischen Linsensteuerung und damit einer echten Zoom-Funktion im Einsatz. Hier kann bei ausgewählten Geräten eine Vergrößerung von bis 135x erreicht werden. Beim Dual Focus kann zwischen zwei Positionen der fokalen Linse gewählt werden und damit die Schärfentiefe festgelegt werden. Die Schärfentiefe liegt bei einem Standardgerät bei 5-100mm. Der Dual Focus kann diese auf 2-6mm verändern, wobei sich das Sichtfeld nur minimal verändert.

1.6 Bildverarbeitung

Grundsätzlich existieren zwei Arten der Datenbereitstellung. Diese erfolgen entweder mittels analogen oder digitalen Ausgängen. Bei den digitalen Ausgängen sind dies HD-/SD-SDI oder FireWire. Der Vorteil der digitalen Systeme ist, dass bei der Übertragung in Dokumentationssysteme keine Qualitätsverluste auftreten. Hier sind Beschriftungen und Anmerkungen in den Bildern bzw. als Anlage problemlos durchführbar.

In der Endoskopie wird sog. Weißlicht mit allen Farbanteilen verwendet. Abhängig von der Wellenlänge (blau kurzwellig, rot langwellig) ist die Eindringtiefe des Lichtes in das Gewebe. Beim NBI werden große Teile des Weißlichts herausgefiltert, sodass ein kurzwelliger und ein langwelliger Anteil bleiben. Dieser Filter wird per Knopfdruck am Bedienteil des Endoskops eingeschaltet. Die oberflächlichen Kapillargefäße auf der Schleimhaut können dann in brauner Farbe und die tieferen Venen der Submukosa in Cyan gesehen werden. Auf der Basis dieser Bilder ist es deutlich leichter, entzündliche Veränderungen von wahrscheinlich malignen Befunden abzugrenzen.

Eine weitere elektronische Bildverarbeitung mit einer kontrastverstärkenden Wellenselektion ist i-scan. Es wird zwischen der oberflächlichen Verstärkung (Surface Enhancement, i-scan SE) und der Stimmungsverstärkung (Tone Enhancement, i-scan TE) unterschieden. Bei der Benutzung von Licht eingeschränkter Wellenlänge kann alternativ eine optische Chromoendoskopie erzeugt werden (optical Enhancement, i-scan OE).

Die nächsten Jahre dürften hier weitere Verbesserungen auf elektronischem Gebiet, wie z.B. LCI, s.o.) bringen, sodass hier auf die aktuellen Veröffentlichungen der einzelnen Hersteller verwiesen werden soll.

1.7 Ventile

Der Endoskopschlauch enthält mehrere Kanäle. Einen für die Luftzufuhr, einen für die Spülung und einen für die Einführung von Instrumenten bzw. Absaugung ( ? Abb. 1.4). Bei den Duodenoskopen und den longitudinalen Endosonografie-Endoskopen besteht zusätzlich ein Kanal für den Albarrán-Hebel. Die Signale des CCD-Chips am Ende des Endoskops werden über elektrische Leitungen transportiert.

Zwischen dem Bedienteil des Endoskops und dem Prozessor befindet sich der sog. Versorgungsschlauch. Angekoppelt an den Prozessor ist dieser durch den Versorgungsstecker. Dieser Versorgungsstecker ist je nach Produktionsalter bzw. Hersteller unterschiedlich aufgebaut und muss vor der Reinigung unterschiedlich gegen eindringendes Wasser geschützt werden. Hierbei ...