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16 Wissenschaft & Forschung [2001] Projekt: Motivation und Ziel Für die Inspektion kleiner Hohlräume stehen für die Medizin und Technik heute eine Vielzahl von Endoskopen zur Verfügung. Die kleinsten flexiblen Bildleiter erreichen Durchmesser von unter 0,5 mm, Mini-Endoskope mit Arbeitskanal sind mit Außendurchmessern von etwa 2 mm erhältlich. Die Arbeitskanäle können Lichtleiter aufnehmen, so dass die Hohlräume nicht nur betrachtet, sondern auch z.B. mit Laserstrahlung bearbeitet werden können. Für die Zukunft ist davon auszugehen, dass Ausschreibung 2001: Design optischer Systeme Mikrooptische scannende Laserstrahl- Führungssysteme für endoluminale Anwendungen Institut für Lasertechnologien in der Medizin und Meßtechnik (ILM) an der Universität Ulm a) die zu untersuchenden und zu bearbeiteten Hohlräume immer kleiner werden und b) eine zunehmende Automatisierung die visuelle Inspektion zum Teil ablösen und daher eine vollständige Bildaufnahme unnötig sein wird. Um diesen zukünftigen Anforderungen gerecht zu werden, ist es Ziel des Projekts, ein optisches System zu entwickeln, welches das Vordringen in noch kleinere Dimesionen erlaubt und die automatisierte Bearbeitung unterstützt. Idee und Konzept Die am ILM entwickelte Grundidee ist es, Hohlräume mit nur einem einzelnen Lichtleiter variabel zu bestrahlen und/oder im Hohlraum (re-) emittiertes Licht winkelaufgelöst zu detektieren. Die Detektion des Lichts aus dem Hohlraum, z.B. Fluoreszenzstrahlung oder rückgestreutes Licht, erlaubt eine richtungsselektive Abrasterung des Hohlraums zur Diagnostik. Abb. 1: Abstrahlungsmuster, die mit zylinderförmigen Fasern erzeugt werden können. Der Ringdurchmesser steigt mit zunehmendem Einkoppelwinkel an, dünnere Lichtleiter führen zu schmaleren Ringen (oben: = 500 µm Simulation, unten: = 200 µm Messung). Wenn diese zur Regelung der Bearbeitung bzw. Therapie als Feedback genutzt werden kann, ist eine automatisierte Behandlung ohne visuelle Kontrolle möglich. Durch die Benutzung einer einzigen Faser für die Bestrahlung und die Rückführung optischer Feedback-Signale sind prinzipiell sehr kleine Baugrößen möglich. Die "Faser-Scanner" können sowohl alternativ zu als auch in Verbindung mit Endoskopen zur flexiblen Beleuchtung, Diagnostik oder Bearbeitung eingesetzt werden. Forschung und Realisierung Der gewählte optische Ansatz besteht darin, durch eine gezielte Variation des Einkoppelwinkels in einen Lichtleiter eine Variation des Auskoppelwinkels zu erreichen. Der gewünschte auskoppelseitige Winkelbereich und die Auflösung werden durch den Bereich und die Rasterung des Einkoppelwinkels sowie durch das Lichtleiter-Design bestimmt. Um die Grundlage für möglichst viele Anwendungen zu legen, wurden zunächst alle relevanten Abhängigkeiten der Übertragung quantifiziert. Neben Faktoren wie Länge, Querschnitt und Material des Lichtleiters wurden auch spezielle Modifikationen der Faserenden, wie Anschrägungen oder Taper untersucht. Beispielhaft sind in Abb. 1 Beleuchtungsmuster von zylinderförmigen Fasern zu sehen. Je nach Einkoppelwinkel kann die Abstrahlung zwischen einem wenig divergenten axialen Bündel bis zu ringförmigen Verteilungen variiert werden. Die Abb. 2 zeigt die Konstruktion eines Scan-Handstücks für die Zahnmedizin unter Verwendung einer Faser mit rechteckigem Querschnitt. Die Strahlung eines Er:YAG-Lasers wird über eine
Optik und einen beweglichen Spiegel unter verschiedenen Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt. Über ein Fluoreszenz- Feedback kann kariöses Gewebe automatisch erkannt und dann im Innern des Zahns ohne Sicht entfernt werden. Anwendungsgebiete und Einsatzmöglichkeiten Je nach Fasertyp und Ausgestaltung der Faserenden kann eine Vielfalt verschiedener Abstrahl- oder Detektions-Charakteristika realisiert werden, z.B. auch 2-dimensionale Scans oder axiale Scans entlang der Faser. Da sich zur Lichtleitung auch Quarzoder Saphirfasern eigenen, stehen dem "Faser-Scanner" auch heiße oder chemisch aggressive Umgebungen offen. Der mögliche Spektralbereich für die Bestrahlung oder Detektion erstreckt sich vom UV bis zum infraroten Spektralbereich. Mögliche Anwendungen sind: Abb. 2: Konstruktion eines Handstücks mit Faserscanner für die Zahnmedizin. Über eine Optik mit beweglichem Spiegel kann unter verschiedenen Winkeln in den Lichtleiter eingekoppelt werden, wodurch auch die Abstrahlung variiert werden kann. Dadurch lässt es sich vermeiden, dass zur Entfernung unterminierender Karies der darüber liegende gesunde Schmelz abgetragen werden muss. > Beleuchtung, allein oder in Verbindung mit Endoskopen > Sensoren und Sonden, z.B. Temperatur (Radiometrie) > optische Analyse, z.B. durch (Fluoreszenz-) Spektroskopie > Laserbearbeitung in kleinen Bauteilen, mit und ohne Feedback, selektive Ablation, Reinigung, Trocknung, Oberflächenmodifikation > minimal-invasive medizinische Therapien Durch das nun am ILM vorhandene umfangreiche Datenmaterial und Know-how in der Simulation und Herstellung der Bauteile können für spezielle Anforderungen angepasste Systeme entworfen und realisiert werden. 17
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