1. Juli 2014

Faseroptische 3D-Navigation in der Medizintechnik

Ultrakurze Lichtblitze für die Operationstechnik der Zukunft

Präzise minimalinvasive Eingriffe haben zahlreiche Vorteile für den Patienten wie eine schnellere Erholung nach der OP, weniger Schmerzen sowie kleinere Narben. Aber auch die Kliniken profitieren. Die passive 3D-Profil- und Formerfassung mittels faseroptischer Sensorik eröffnet in der Medizin völlig neue Möglichkeiten der Navigation und Positionsbestimmung chirurgischer Instrumente innerhalb des menschlichen Körpers. 

Die Koordinaten eines Katheters lassen sich mittels faseroptischer 3D-Navigation innerhalb der Blutbahn in Echtzeit verfolgen. Licht wird durch Glasfasern in der Stärke eines menschlichen Haares geleitet. Durch Dehnung oder Temperatureinwirkung auf die Faser verändert sich das Licht und gibt auf diese Weise Aufschluss über Art, Ort und Ausmaß der Einwirkung des Katheters im Blutgefäß.

Technischer Hintergrund

Auf Grundlage der Femtosekunden-Lasertechnik hat das Fraunhofer HHI in Goslar eine Methode entwickelt, mit der Wellenleiter und periodische Modulationen des Brechungsindexes sowohl in den Kern als auch in den Mantel, das sog. Cladding, einer optischen Faser direkt hineingeschrieben werden können. Diese Methode ermöglicht die Herstellung einer Vielzahl mikroskopisch kleiner, beliebig anpassbarer, optischer Dehnungssensoren außerhalb des Kerns, aber innerhalb einer einzigen Faser. In Zusammenarbeit mit dem Klinikum rechts der Isar und der TU München wurde diese Technologie auf den medizinischen Bereich adaptiert.

Vorteile der Technologie

  • Kompaktes und leichtes Sensorsystem
  • Imun gegenüber elektromagnetischen Feldern
  • Integrierbar in bestehende übergeordnete Systeme
  • Anwendung neuer Femtosekundenlasertechnik 
  • Freie Einstellung des Sensordynamikbereiches
  • Verwendung von faseroptischen Standard-Telekom Steckern
  • Echtzeit-Monitoring

Mit Hilfe eines Faser-Bragg-Gitters (FBG) können an verschiedenen Stellen des Stents Temperatur, Dehnung oder Schwingungen gemessen werden. Die Sensoren werden an vorab definierten Stellen eingebracht. Bis zu einige hundert Sensoren in einer einzigen Faser können damit ausgelesen werden. Dreidimensionale Informationen über die Postition und Bewegung des Stents können mit diesem Verfahren gemessen werden. Da sich daraus exakte Koordinaten über alle Positionen und Bewegungen des Objekts ergeben, hat sich der Begriff „Shape Sensing“ für dieses Messverfahren etabliert. 

Messdaten können damit zukünftig in dreidimensionalen Gefäßdarstellungen visualisiert werden. Dies ermöglicht dem Chirurgen das Zusammenspiel und die oftmals komplex ineinander verschlungenen Gefäßen intuitiv zu erfassen. Damit können Operationen bis ins Detail geplant und das Risiko unkontrollierter Blutungen und andere Komplikationen während der Operation minimiert werden.

Weitere Anwendungsfelder

Auch außerhalb der Medizintechnik ist eine Vielzahl von Anwendungen für das "Shape Sensing" denkbar:

  • Öl & Gas: Temperatur- und Drucküberwachung
  • 3D-Profilerfassung im Bereich des Maschinenbaus
  • 3D-Profilerfassung von technischen Endoskopen
  • Structural Health Monitoring, z. B. von Windkraftanlagen
  • Condition Monitoring bei Brücken
  • Lifetime Prediction von kritischen Bauteilen wie Drahtseilen oder Stromkabeln
  • Abbildung von Bewegungsabläufen, z. B. bei Computerspielen und Animationen