Vorsichtig führt der Neurochirurg das Endoskop durch die Nase des Patienten an die zu operierende Region. Bevor er mit der Arbeit beginnen kann, muss er sich einen genauen Überblick verschaffen: Wie verlaufen die Blutgefäße, wo genau liegt das Tumorgewebe, wie tief muss er in bestimmte Hirnareale vordringen? Dank der 3-D-Kamera, die in das millimeterdünne Rohr eingebaut ist, sieht der Arzt alle Details gestochen scharf und in räumlicher Tiefe – ganz so, als bewege er sich selbst im Gehirn des Patienten.

Ausgeklügelter Strukturaufbau

Was bislang noch Wunschdenken ist, könnte schon bald Realität werden: Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS haben im Rahmen des EU-Projekts »Minisurg« einen neuartigen Bildsensor entwickelt, der 3-DBilder vom Körperinneren in bislang unerreichter Qualität liefert. Bislang standen in der Endoskopie nur CCD-Bildsensoren mit geringer Auflösung zur Verfügung. Den Duisburger Wissenschaftlern und ihren Projektpartnern ist es nun gelungen, CMOS-Bildsensoren – die beispielsweise auch in Spiegelreflexkameras verbaut sind – für diese Spezialanwendung tauglich zu machen. 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: Das Objektiv verfügt über zwei Blendenöffnungen, es fallen also immer zwei Lichtstrahlen auf die Linsen. »Man kann sich das vorstellen wie ein rechtes und ein linkes Auge«, erklärt Dr. Sascha Weyers vom Fraunhofer IMS. 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. Ähnlich wie das Gehirn die Daten vom linken und rechten Auge empfängt, erhält der CMOS-Sensor so zwei verschiedene Bildinformationen. Eine Software rechnet diese Daten auseinander und verarbeitet sie getrennt. Auf diese Weise wird ein hoch aufgelöstes, stereoskopisches Bild erzeugt. Je nach System kann der Arzt den dreidimensionalen Eindruck direkt auf dem Bildschirm sehen oder eine Polarisationsbrille nutzen.

Spezielle Mikrolinsen bündeln das Licht ultrapräzise

Damit die Lichtstrahlen präzise auf den Sensor gebündelt werden, haben die Forscher spezielle Mikrolinsen entwickelt. Deren in Simulationen genauestens berechnete Form sorgt dafür, dass rechter und linker Kanal scharf voneinander getrennt sind – also nicht mehr als 5 % des jeweiligen Lichtstrahls auf den Sensorspalt des anderen Kanals einfallen. Nicht zuletzt die Fertigung der filigranen Miniaturkameras stellte eine Herausforderung dar: Der Chip ist so winzig, dass er in ein Rohr von gerade mal 7,5 mm Durchmesser passt. Zusammen mit dem Glasfaserbündel, das als Lichtquelle dient, misst das Endoskop 10 mm im Durchmesser – die perfekte Größe für minimalinvasive Anwendungen in der Chirurgie.

Kontakt:

Dr. Sascha Weyers
Telefon +49 203 3783-2932
sascha.weyers(at)ims.fraunhofer.de
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
Finkenstraße 61
47057 Duisburg
www.ims.fraunhofer.de