Holographische Endoskopie

Angesichts der sprunghaften Expansion mikrochirurgischer Eingriffe im Rahmen der minimal-invasiven Therapie in den verschiedensten medizinischen Bereichen kommt der Endoskopie eine besondere Bedeutung als präoperative Diagnose- und intraoperative Kontrolltechnik zu. Der aktuelle Stand der Endoskopie läßt jedoch entscheidende Lücken offen, zu deren Schließung es weiterer technologischer Forschung und Entwicklung bedarf. Wesentliche Einschränkungen der Endoskopie liegen bis heute darin, dass sie bisher über die Funktion einer qualitativen d.h. (subjektiven) Beobachtungsmethode mit der Begrenzung der Auflösung und der spektralen Bandbreite des Auges des Untersuchers nicht hinausgekommen ist. Die moderne Mikrodiagnostik und -therapie stößt jedoch in Bereiche vor, die zwingend die quantitative Bestimmung von mit dem Auge nicht sichtbaren Mikrobewegungen zur Funktionsanalyse innerer Organe, sowie die quantitative Analyse der lokalen Verteilung des Elastizitätsmoduls des untersuchten Gewebebezirkes, und die Untersuchung von Strukturveränderungen auch unterhalb der (endoskopisch) sichtbaren Gewebeoberfläche durch Darstellung lokaler Elastizitätsunterschiede - etwa im Rahmen der Tumordiagnostik - erfordern. Optische Techniken, die dies leisten, sind die aus der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung bekannten Verfahren der laserholographischen Interferometrie. Ihre Einführung in die Endoskopie ist ein entscheidender Schritt zu einer meßtechnischen Basis für quantitativ-diagnostische Untersuchungen im Körperinneren mit den bekannten Vorteilen holographischer Verfahren wie berührungslose, zerstörungsfreie und (bis hinunter zu Bruchteilen der verwendeten Laserwellenlänge) hochauflösende Struktur- und Bewegungsanalyse. Die externe Aufzeichnung von Hologrammen außerhalb des Instrumentes mit Hilfe einer holographischen Kamera erlaubt die Verwendung konventioneller Endoskope. Dies bedeutet, daß auch moderne Instrumente mit extrem kleinen Außendurchmessern, wie sie insbesondere für einige klinisch-diagnostische Zwecke erforderlich sind, eingesetzt werden können. Der Prototyp einer derartigen transportablen holographisch-endoskopischen Kamera wurde am Labor für Biophysik entwickelt. Hierbei erlauben optische Monomodefasern eine flexible Laserstrahlführung und damit eine leicht handhabbare Konstruktion. Nach erfolgreich durchgeführten in-vitro Untersuchungen befindet sich das Gerät derzeit im in-vivo Funktionstest. In Zusammenarbeit mit dem Industriepartner, der Firma Karl Storz GmbH & Co., konnte eine weitere holographische Endoskop-Kamera als Funktionsmuster realisiert werden. Dabei befindet sich das gesamte holographische Aufnahmesystem in der Spitze des Gerätes. Durch diese Konstruktion entfallen die durch endoskopische Faseroptiken oder Relaylinsensysteme (Hopkins-Optiken) bedingten Einschränkungen wie sphärische und chromatische Aberationen und Streuverluste. Darüberhinaus bewirkt diese Anordnung durch ihre geringen geometrischen Abmessungen nur ein geringes Speckle-Rauschen und ermöglicht damit prinzipiell gegenüber der externen Aufzeichnung ein höheres Auflösungsvermögen. Derzeit wird auch dieses Gerät für den in-vivo Einsatz optimiert. Die Durchführung des Projektes erfolgt im Rahmen des BMBF Verbundvorhaben "Neue Laserverfahren für die Endoskopie". Die Verbundvorhabens-Koordination liegt beim Labor für Biophysik.

Drittmittelgeber:

Industrieförderung, Bundesministerium für Bildung und Forschung 13N6762

Beteiligte Wissenschaftler:

Prof. h.c. (Acad. Sci. UA) G. von Bally (Projektleiter + Verbundkoordinator), Dr. D. Dirksen, Dipl. Phys. B. Kemper, Dipl. Phys. S. Knoche, Dipl.-Ing. (FH) A. Merker, Dr. S. Lai, Univ.-Prof. Dr. med. h.c. Dr. W. Domschke (Medizinische Klinik und Poliklinik - Innere Medizin B), Dr. W. Avenhaus (Medizinische Klinik und Poliklinik - Innere Medizin B), Univ.-Prof. Dr. med. H.H. Scheld (Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie), Priv. Doz. Dr. M. Deiwick (Klinik für Thorax-, Herz- und Gefäßchirurgie), Prof. Dr. N. Senninger (Klinik und Poliklinik für Allgemeine Chirurgie), Dr. D. Tübergen (Klinik und Poliklinik für Allgemeine Chirurgie), Dr. K. Irion (Fa. Storz, Tuttlingen), Dr. H. Kasprzak (Institute of Physics, Technical University, Wroclav, Polen), Prof. Dr. H. Ohzu (Dept. Applied Optics, Waseda University, Tokyo, Japan)

Veröffentlichungen:

von Bally, G., Kemper, B., Merker, A., Lai, S.: A new dynamic endoscopic holographic interferometer for in-vivo medical imaging metrology, Proc. SPIE Vol. 3749 (1999) 393-394

Kemper B., Merker A., Lai S., von Bally G.: A novel Electronic-Speckle-Pattern-Interferometer (ESPI) for Dynamic-Holographic-Endoscopy, C. Fotakis, T. Papazoglou, C. Kalpouzos (eds): Optics Within Life Sciences (OWLS V): Biomedicine and Culture in the Era of Modern Optics and Lasers, Springer, Heidelberg (2000) 29-32

Kemper, B., Avenhaus, W., Dirksen, D., Merker, A., von Bally, G.: Endoscopic electronic speckle-pattern-interferometer for technical and medical intra-cavity inspection, Appl. Opt. 39 (2000) 3899-3905

Avenhaus, W., Kemper, B., von Bally, G. Domschke, W.: Dynamic holographic endoscopy - pilot investigations using an in-vitro model, Gastrointestinal Endoscopy 51 (2000) AB92

Avenhaus, W., Kemper, B., von Bally, G. Domschke, W.: Einsatzmöglichkeiten der dynamisch-holographischen Endoskopie - Pilotuntersuchungen am präparierten Schweinemagen, Med. Klinik 95 (2000) 74