Modell für Verkleinerung

Vision von Endoskopen so dünn wie ein Haar

Flexible Endoskope werden u.a. in der Medizin vielfach eingesetzt. Eine Verringerung ihres Durchmessers wäre von großem Nutzen. Um diesem Ziel näherzukommen, entwickelten Absolventen der WHZ ein auf KI basierendes mathematisches Modell.

Antje Schuschies (24, li.) und Leander Kläber (23)

Antje Schuschies (24, li.) und Leander Kläber (23) bauten für die Bildrekonstruktion über eine einzelne optische Faser einen Demonstrator. Mit einem mathematischen Modell rekonstruieren sie bereits Abbildungen. | Ivonne Mallasch Westsächsische Hochschule Zwickau

Endoskope mit einem sehr kleinen Durchmesser sind z. B. bei einer Gastroskopie oder Nasenspiegelung bei Kindern von großem Vorteil. Die Bildübertragung erfolgt dabei über Glasfaserbündel aus vielen tausend Einzelfasern. Ziel zweier Abschlussarbeiten an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ) und am Fraunhofer-Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM ist es, die Bildübertragung durch eine einzelne optische Faser von nur ca. 100 µm Durchmesser zu ermöglichen. Ein menschliches Haar ist zum Vergleich nur 70 bis 80 µm dick.

Entwicklung eines mathematischen Modells

Die Wissenschaftler entwickelten dafür ein mathematisches Modell, welches das Ausgangsbild rekonstruieren kann. „Wir standen hier vor einer großen Herausforderung. Schaut man durch eine einzelne Faser, sieht man am Faserausgang nur eine Ansammlung unorganisierter Lichtpunkte. Das Ausgangsbild wird nicht 1:1 über eine einzelne Faser übertragen. Außerdem waren Konzepte für die Stabilität der Übertragung notwendig“, erklären Antje Schuschies und Leander Kläber, Absolventen im Bereich Physikalische Technik. Das von ihnen entwickelte mathematische Modell kann das Bild durch Berechnung wiederherstellen. „Dadurch lässt sich der Durchmesser bei Endoskopen reduzieren. Auch eine Manipulation des Lichts am Faserende ist mit dieser Technik denkbar. Wenn dies gut gelingt, könnte diese Technik für chirurgische Eingriffe verwendet werden. Unsere Vision ist ein Endoskop, so dünn wie ein menschliches Haar!“, betont Prof. Dr. Peter Hartmann, Professor an der Physikalischen Technik und Leiter des Fraunhofer-Anwendungszentrums. Die Wissenschaftler haben mit dem entwickelten mathematischen Modell die Methode bestätigt. Derzeit arbeiten sie an der Bildrekonstruktion bei Bewegung der Faser oder Wärmeeinfluss. Ihre Forschungsarbeiten wollen sie mit Industriepartnern weiterverfolgen.

Hintergrund

Für endoskopische Bildleiter werden häufig Glasfaserkabel mit einigen hundert Glasfasern verwendet. Faserbündel mit einem großen Durchmesser von mehreren Millimetern sind für bestimmte Einsätze in der Medizin oder Industrie von Nachteil. Daher sollen in Zukunft sogenannte optische Multimodefasern mit einem Kerndurchmesser von wenigen zehn Mikrometern in Endoskopen eingesetzt. Im Unterschied zu Bildleitkabeln ermöglichen einzelne optische Multimodefasern keine direkte Bildübertragung.


Quelle: idw/Westsächsische Hochschule Zwickau