Das Endoskop

Das Endoskop

Was ist ein Endoskop oder Endoskopie eigentlich ?

Das Endoskop ist ein optisches Gerät zur Beobachtung und Spiegelung von Körperhöhlen bzw. Hohlräumen in der Medizin und Technik .

Neugier und die Befriedigung der Neugier ist eine der fundamentalsten Eigenschaften des Menschen . Jede wissenschaftliche Erkenntnis beruht letztlich auf der Neugier . Eine herausragende Rolle spielt hierbei der Gesichtssinn des Menschen, das Sehen .

Es ist sicher kein Zufall das optische Instrumente wie Fernrohr, Mikroskop und auch die Brille zu den ersten wissenschaftlichen Instrumenten überhaupt gehören.

Das Fernrohr bringt weit entfernte Gegenstände näher, das Mikroskop verschafft Einblicke in die Welt des Kleinen . Auf die Möglichkeit, in das Innere eines Körpers oder eines Gegenstandes zu sehen, ohne dabei diesen Körper zu verletzen oder gar zu zerstören . Darauf musste man vergleichsweise lange warten . Die Entwicklung von geeigneten Verfahren setzte erst vor ungefähr 100 Jahren ein .

Die Entwicklung von Endoskopen

Endoskope sind dünne optische Instrumente, die durch eine Bohrung oder eine natürliche oder künstlich erzeugte Öffnung in das Innere eines Gegenstandes eingeführt werden und die somit eine direkte visuelle Inspektion des Innenraumes erlauben . Wie ein Endoskop aufgebaut ist, damit es Bilder aus verborgenen Regionen übertragen kann, werde ich später erklären .

Zunächst einmal versuche ich die Problematik darzulegen, die mit dem Bau von funktionsfähigen Endoskopen verbunden ist . Warum wurde das erste Endoskop erst mehrere hundert Jahre nach dem ersten Fernrohr oder Mikroskop gebaut . Es sind die gleichen Probleme, mit denen die Endoskopie noch bis in die jüngste Vergangenheit zu kämpfen hatte .

Die Aufgabe eines Endoskops ist es, Licht in einen Hohlraum hinein- und ein Bild herauszubringen . es darf dabei nur einige Millimeter dick sein, denn das Endoskop soll ja durch möglichst kleine Öffnungen in den Hohlraum eingeführt werden können . Die Entwicklung der Endoskopie wurde zunächst fast ausschließlich durch ihre medizinische Anwendungen beeinflusst . Denn am lebenden Körper war natürlich der Zwang zu einer verletzungsfreien Diagnose und Inspektion von Körperhöhlen am stärksten . Den Beginn endoskopischer Untersuchungsmethoden kann man auf den Anfang des 19. Jahrhunderts datieren . Die Endoskope waren Rohre, durch die das Licht einer Kerze, Petroleumlampe in das Körperinnere gespiegelt wurde. Ein optisches System zur Bildübertragung besaßen diese Instrumente natürlich noch nicht, so dass das vom eingespiegelten Licht erhellte Blickfeld nur winzig klein und diffus war . Der Durchbruch gelang Ende des 19. Jahrhunderts, das erste Endoskop mit einem optischen Bild-Übertragungssystem und mit elektrischer Beleuchtung wurde gebaut (Nitze 1879) . Von da an nahm die Entwicklung und Verbreitung endoskopischer Untersuchungsmethoden stetig zu, nicht nur im medizinischen, sondern auch in allen technisch industriellen Bereichen . Das Problem ausreichend starker Lichtquellen zur Beleuchtung der zu untersuchenden Hohlräume hat jedoch die Endoskopie bis in unsere Tage verfolgt und es war ein weiter Weg bis zu den heute verfügbaren Endoskopen mit lichtstarken optischen Systemen und den Hochleistungs-Lichtquellen, mit denen auch die Dokumentation endoskopischer Befunde auf Foto, Film oder Video problemlos möglich ist .

Medizinische- Endoskope

In letzter Zeit wurden Endoskope auch mit chirurgischen Instrumenten ausgestattet . Es entwickelt sich so die endoskopische Chirurgie, auch Schlüsselloch- oder minimal invasive Chirurgie genannt, die inzwischen große Fortschritte gemacht hat . Das Endoskop ist ein starres oder flexibles röhrenförmiges Gebilde, welches neben einem abbildenden System noch Systeme zur Beleuchtung und Durchführung chirurgischer Eingriffe und meist auch noch Spül- und Absaugkanäle für Instrumente zur Probenentnahme ( Biopsie ) enthält . Es erlaubt Veränderungen und Unregelmäßigkeiten zu erkennen und Eingriffe unter visueller Beobachtung vorzunehmen, ohne die Körperhöhle operativ zu öffnen, da die Beobachtung durch Lupen und Röhren über längere Strecken (ein Meter und darüber ) möglich ist . Statt mit einem Skalpell große Schnitte auszuführen, wie es bei konservativen Operationstechniken unvermeidlich ist, werden nunmehr kleine künstliche Öffnungen in das Körperinnere geschoben . Die Trokare bilden die Führung für das Endoskop Sie dienen auch zum Aufdehnen der Körperhöhlen des Bauches oder Enddarmes . Für den Patienten ergeben sich dadurch geringe Belastungen und Blutverluste . Mit einer Zoom-Optik können Gewebestrukturen sichtbar gemacht werden . Zum Schneiden und abrasiven Aufweiten von Gefäßstellen und zur Koagulation werden neben dem Hochfrequenzmesser auch spezielle Neodym- YAG- Laser mit Faseroptik verwendet .

Die Beleuchtung wird durch eine externe Lichtquelle außerhalb der Körperhöhle (distales Ende ) über eine Faseroptik als Kaltlichtleiter getrennt von dem Abbildungsstrahlengange realisiert . Flexible Bildleiter erzeugen mittels eines Okulars ein Bild, welches zu Dokumentationszwecken gespeichert werden kann . Nur wenn man eine extrem hohe Auflösung erreichen will, beleuchtet man am proximalen Ende ( in der Nähe der Körperhöhle ) mit einer Mikrolichtquelle, die aber im Gegensatz zum Lichtleiter Wärme erzeugt . Eine Mikrokamera im Endoskop registriert auf hochauflösendem Film das Bild . Die Optiken werden für verschiedene Blickrichtungen

( Geradeausblick 0°, Rückblick 20°, Vorausblick 30° und Steilblick 70°-90° )

und unterschiedliche Öffnungswinkel ( 60°, 80° und 100° ) hergestellt .

Mit Vorteil werden auch Mikrolinsen eingesetzt . Die äußeren Durchmesser der Endoskope werden in Charrier angegeben (1Charr. = 0,33 mm ) . Die Schaftdurchmesser betragen, beginnend mit dem Kinder-Endoskopen, 13,5 bis 28 Charr. Für halb- oder wenig flexible Endoskope werden vielgliedrige Optiken mit großem Glaswege benutzt .

Die Möglichkeiten der Gradientenoptik eröffnen neue Wege, da inhomogene Fasern nicht nur zu einer Fokussierten Beleuchtung, sondern auch zu einer flexiblen Bildübertragung genutzt werden können . Lediglich die chromatische Aberration und die geringe Apertur der Fasern behindern noch den breiten Einsatz .

Man unterscheidet Medizinischendoskope nach dem Einsatz in Körperhöhlen :

Cystoskop ( Harnleiter ), Rektoskop ( Mastdarm ), Laporoskop ( Bauchhöhle ), Bronchoskop ( Luftröhre ), Ösophagoskop ( Speiseröhre ), Gastroskop ( Magen ), Kolposkop ( Gebärmutter-mund ), Douglasskop (weibliche Genitalien ), Otoskop ( Trommelfell ), Rhinoskop ( Nase )

Technische- Endoskope

Wozu nun braucht ein Techniker Endoskope

Der Einsatz von Endoskopen zur medizinischen Diagnose leuchtet jedem ein . Die visuelle Inspektion innerer Organe, die Entnahme von Gewebe-Proben oder auch kleinere Operationen sind endoskopisch sehr viel schonender durchzuführen als durch eine Schnitt Operation .

Lange Zeit führte die Endoskopie für Untersuchungen in der Technik eine Art Schattendasein neben der medizinischen Endoskopie, angewendet von einer Handvoll Techniker, die mehr oder weniger zufällig einmal mit Endoskopen in Berührung gekommen sind, angewiesen auf das, was von der medizinischen Technik verwertbar war . Das hat sich nun grundlegend geändert . In den letzten ein, zwei Jahrzehnten entwickelte sich die Technische Endoskopie zu einem eigenständigen Gebiet, das außerordentlich schnell an Verbreitung zunimmt und auch eigene, ganz spezifische Entwicklungs-Linien aufweist und das ist auch zwingend Notwendig .

Technische Aggregate werden immer Komplizierter, immer teurer, und an ihre Zuverlässigkeit werden immer höhere Anforderungen gestellt . Viele Aggregate unterliegen beim Betrieb einem Verschleiß durch mechanischen Betrieb oder durch Witterungs- und Umgebungseinflüsse ( Korrosion ) . Meist treten die Verschleiß Erscheinungen im Inneren der Aggregate auf und sind von außen nicht ohne weiteres sichtbar . Wenn man auch in vielen Fällen raffinierte Methoden ersonnen hat, um das Verschleißverhalten eines Teiles beurteilen zu können, am aussagekräftigsten ist doch die visuelle Inspektion . Sie gestattet in vielen Fällen eine Frühdiagnose und die Einleitung der gebotenen Maßnahmen, noch bevor der Schaden überhaupt eingetreten ist . Denken Sie an die Luftfahrt, Flugzeugtriebwerke müssen aus Sicherheitsgründen regelmäßig kontrolliert werden, mit Endoskopen sind Inspektionen innerhalb des Triebwerkes ohne dessen Demontage möglich und üblich . Im Kraftfahrzeug Bereich, die Demontage eines Lkw Motors kann gut und gern einen ganzen Arbeitstag erfordern . Zu teuer, besonders wenn man danach den Fehler nicht gefunden hat ! Eine endoskopische Inspektion des gleichen Motors nimmt etwa eine halbe Stunde in Anspruch . Wurde kein Fehler gefunden, hat man die Demontage gespart, hat man den Fehler gefunden, kann gezielt demontiert und repariert werden .

Wer hätte es nicht schon gelesen : Baudenkmäler verfallen, ein Fachwerkhaus muß saniert werden, eine Decke stürzt herab usw. Vielfältig sind die Aufgaben der Schadensfrüherkennung, Schadensanalyse oder Ursachenerforschung bei der Gebäudesanierung. In sehr vielen Fällen könnte die Antwort nach einer visuellen Kontrolle gegeben werden . Wie zu Beispiel, ist Rost vorhanden ? Sind die Aufhängungen Korrodiert ? Wie ist der Zustand der Holzbalken ? Nur müssten dazu umfangreiche Gebäudestrukturen freigelegt werden was außerordentlich kostspielig ist . Endoskope leisten hier unschätzbare Dienste . Nehmen wir als Beispiel die Überprüfung von abgehängten Decken . Ein geeignetes Endoskop hat eine seitliche Blickrichtung, es wird senkrecht durch die Decke eingeführt und erlaubt, einen Bereich mit einem Radius von etwa 1m zu überprüfen .Ähnlich geht man übrigens auch bei der Überprüfung von Holzbalkendecken und Holzfußböden in Altbauten vor .

Die Kontrolle von Innenschweißnähten, auch unmittelbar nach der Schweißung oder sogar während des Schweißvorganges, kann im allgemeinen nur mit Endoskopen durchgeführt werden.

Man Sieht der Bogen der Anwendungen der technischen Endoskope ist sehr weit gespannt . Prüfung aller denkbaren technischen Aggregate, Innenwände von Tanks, Kesseln und Rohrleitungen . Erforschung des Lebens in einem Ameisenhaufen, Fotografie eines Architekturmodelles aus der Fußgänger-Perspektive, Untersuchung des Gesundheitszustandes von Bäumen, Verwendung in der Künstlerischen Fotografie . Es gibt ganz sicher keinen Bereich, in welchen der Einsatz von Endoskopen von vornherein als sinnlos bezeichnet werden könnte !

Der Aufbau von Endoskopen

Endoskope dienen also dazu, ein Bild aus dem Inneren irgendeines Körpers oder Aggregates, Gerätes oder ähnliches nach außen zu bringen, wo sich das Auge des Beobachters befindet . Diese kurze Aufgabenbeschreibung sagt bereits das Wesentliche über den grundsätzlichen Aufbau eines Endoskops aus . Das Endoskop muß zwei Enden haben, eines das in das Innere des Körper, Gegenstand oder Gerätes eingeführt wird und das Bild erzeugt, das also ein Objektiv enthält ( Es sollten auch Objektive verfügbar sein, die um die Ecke oder auch rückwärts sehen können ) . Das andere Ende des Endoskops muß sich natürlich außerhalb des Körpers, Gegenstand oder Gerätes befinden . Denn dort ist ja das beobachtende Auge . Dazwischen ist nun das Bildübertragungssystem, das dafür sorgt dass ich mit meinem Auge auch wirklich das sehen kann, was sich im Inneren des Körpers, Gegenstand oder Gerätes abspielt . Dieser Teil des Endoskops mit dem Bildübertragungssystem muß lang genug, aber auch dünn genug sein . Es soll ja durch möglichst kleine Öffnungen in das Innere des Körpers Gegenstandes oder Gerätes eingeführt werden können .

Es gibt starre Endoskope, und es gibt flexible Endoskope . Wie der Name schon sagt, befindet sich bei der einen Ausführung das optische System in einem starren Rohr, bei der anderen in einem Schlauch, den man drehen und wenden kann . Beide Typen von Endoskope haben ihre Daseinsberechtigung, denn starre Endoskope sind einfach in der Handhabung und wesentlich billiger als flexible Endoskope . Die allerdings braucht man, wenn der Zugang zu dem Hohlraum, den man inspizieren will, gekrümmt und verwinkelt ist .

Starre und flexible Endoskope unterscheiden sich aber noch durch mehr . Ihre Bildübertragungs-Systeme sind grundsätzlich voneinander verschieden . IN einem starren Endoskop wird das über ein Linsensystem übertragen, in flexiblen Endoskopen machen das hauchfeine Glasfasern .

Diese Unterschiede sind von grundsätzlicher Art, sie bestimmen entscheidend die optischen Daten und somit die Kriterien zur Auswahl des geeigneten Endoskops für einen bestimmten Anwendungsfall . Deshalb will ich im folgenden kurz auf die Prinzipien der Bildübertragung in Endoskopen eingehen .

Starre Endoskope

Es ist eigentlich gar nicht so Schwer, ein einfaches starres Endoskop zu bauen . Wenn man sich die notwendigen kleinen Linsen beschafft, über etwas feinmechanisches Geschick verfügt, könnte man es sogar am heimischen Küchentisch versuchen . Über die optische Qualität eines solchen Endoskops wollen wir allerdings den Schleier des Schweigens ausbreiten !

Als erstes nehmen wir ein Rohr, einige Dezimeter lang und einige Millimeter im Durchmesser . Schon dieses Rohr könnte man als Endoskop bezeichnen . Es ist der Mauselocheffekt . Nun bauen wir in die Spitze des Rohres ein Objektiv ein . Je nachdem, ob es ein Weitwinkel- oder ein Teleobjektiv ist, bildet es ein mehr oder weniger großes Gesichtsfeld in das Innere des Rohres ab . Es entspricht im Aufbau dem Objektiv einer Photokamera, nur dass es sehr viel kleiner ist und wie die Zeichnung zeigt, eine vom Geradeausblick abweichende Blickrichtung haben kann . Dieses Endoskopobjektiv hat also den Blick um die Ecke bereits von vornherein eingebaut . Jetzt haben wir das Bild irgendeines uns interessierenden Gegenstandes im Rohr, aber nur wenige Zentimeter von der Spitze des Rohres entfernt und weit weg vom anderen Ende, wo ja unser Auge sitzt . Es muß also auf irgendeine Weise an das andere Ende transportiert werden . Dazu müssen wir uns doch einmal an unseren Physikunterricht erinnern . Das Bild das ein Objektiv von einem Gegenstand erzeugt, ist ein sogenanntes reelles Bild . Wenn man einmal nicht auf Einzelheiten eingeht und etwas großzügig formuliert, so kann man sagen, dass für ein Geometrisch-optisches System ein reelles Bild alle Eigenschaften eines Gegenstandes, eine Linse weiß nicht, ob die Strahlen, die sie ablenkt, von einem Gegenstand oder einem reellen Bild kommen . Wir bauen also in unser Rohr ein weiteres Objektiv ein, das das Bild ein zweites Mal abbildet . Nun sind wir dem anderen Ende des Rohres bereits ein bisschen näher gekommen

Das zweite reelle Bild wird noch mal abgebildet . Wenn das nicht reicht, ein viertes Mal und so fort, bis das Bild am anderen Ende des Rohres angekommen ist . Dort bauen wir ein Okular ein, und mit diesem kann das Bild beobachtet werden . Eine Kleinigkeit haben wir noch vergessen . Diejenigen Lichtstrahlen, die jeweils das reelle Bild erzeugen, haben eine bestimmte Vorzugs-richtung, sie strahlen nach außen, sie divergieren . dies würde, je nach der Anzahl der Zwischen-Abbildungen, zu einer mehr oder weniger starken Abschattung des Bildrandes führen . Im Extremfall so stark, dass man anstelle eines Bildes nur einen hellen Punkt im Zentrum sehen könnte . Abhilfe schafft hier eine Sammellinse, die sich direkt in der Bildebene befindet . Sie hat keine abbildende Funktion, sondern dient nur dazu, die divergierenden Strahlen wieder konvergent zu machen . Diese Linsen heißen Feldlinsen .

Ein starres Endoskop enthält also außer seinem eigentlichen Objektiv an seiner Spitze eine Reihe von weiteren Systemen, die das Bild immer wieder abbilden, bis es im Okular ankommt . Da bei einer optischen Abbildung das Bild auf dem Kopf steht, nennt man ein solches endoskopisches Zwischen-Abbildungssystem auch Umkehrsystem . Je nach Länge enthält also ein starres Endoskop eine mehr oder weniger große Anzahl Umkehrsysteme .

Damit das Bild seitenrichtig und aufrechtstehend gesehen werden kann, muß in manchen Fällen das Okular noch ein Umkehrprisma enthalten (das hängt von der Blickrichtung und der Anzahl der Umkehrsysteme ab ) . Ein starres Endoskop, das von außen recht unscheinbar wie ein einfaches Rohr aussieht, ist also ein kompliziertes optisches Instrument mit einer Vielzahl von Linsen . Die winzigen optischen Bauelemente müssen mit höchster Präzision gefertigt werden . Lange Zeit hindurch wurden Endoskope nur nach empirischen Erkenntnissen gebaut . Erst um das Jahr 1960 herum hat ein Wissenschaftler, es war der englische Physiker Prof. H.H. Hopkins, die Grundlagen endoskopischer Bildübertragung systematisch erforscht und wie es so häufig der Fall ist, Hopkins schuf nicht nur die Grundlagen zur Optimierung der bestehenden Systeme, sondern er erfand ein völlig neues endoskop-optisches System, das Stablinsen-System . Stablinsen sind Linsen, deren Dicke sehr viel größer ist als ihr Durchmesser . Eigentlich sind es Glasstäbe mit optisch bearbeiteten Enden . Hopkins hatte nämlich herausgefunden, dass Stablinsen günstigere Voraussetzungen zur Berechnung und Konstruktion hochwertiger Endoskope bieten . Hellere Bilder, großes Gesichtsfeld, hohe Bildschärfe, Farbtreue und hoher Bildkontrast . Das waren die Vorteile, die das Hopkins-System gegenüber den damals allgemein gebauten Endoskopen hatte . Wenn auch durch die Entwicklung der letzten Jahrzehnte die konventionellen optischen Systeme weiter vervollkommnet wurden, so gehören sorgfältig berechnete Stablinsen-Systeme doch bis heute zu den besten endoskop-optischen Systemen . Besonders in der Photographie mit Endoskopen treten ihre Vorzüge deutlich hervor .

Flexible Endoskope

Ganz anders sind flexible Endoskope aufgebaut . Natürlich, auch sie haben an ihrer Spitze ein Objektiv und am anderen Ende ein Okular . Die Übertragung des Bildes, das vom Objektiv er-zeugt wird, erfolgt jedoch nicht über Linsen, sondern über eine Vielzahl von dünnen Glasfasern .

Es gibt Glasfasern, die aufgrund ihres speziellen Aufbaus in der Lage sind, Licht auch über gekrümmte Wege zu leiten, ohne dass Lichtstrahlen seitlich aus der Faser austreten . Solche Fasern lassen sich heute mit einem Durchmesser von weniger als 10 um herstellen . Sie sind damit wesentlich dünner als z. B. das Haar eines Menschen . Eine Lichtleitfaser besteht aus zwei verschiedenen Glassorten, einem Kernglas mit einem Mantel darum, der eine Dicke von etwa 2um hat . Wichtig ist, dass die optische Dichte, die Brechzahl des Mantelglases, niedriger ist als die des Kernglases . Dann wirkt nämlich die Grenzschicht zwischen Kern- und Mantelglas als idealer Spiegel . Die Lichtstrahlen, die auf diese Grenzschicht auftreffen, werden total wieder in das Innere des Kernglases zurückreflektiert . Lichtstrahlen, die in das eine Ende der Faser eingestrahlt werden, folgen demnach jeder Krümmung der Faser und Können sie erst wieder an ihrem anderen Ende verlassen . Das gilt jedoch nur für Lichtstrahlen, die innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches, also nicht zu steil, in die Faser eingestrahlt werden . Glasfasern mit diesem Aufbau nennt man auch Stufenfasern, weil sich die Brechzahl an der Grenzfläche zwischen Kern- und Mantelglas sprunghaft, also in Form einer Stufe, ändert . Eine einzelne Lichtleitfaser Kann jedoch noch kein Bild übertragen . Das einzige, was aus ihr herauskommen kann, ist ein mehr oder weniger heller Lichtpunkt in einer bestimmten Farbe . Damit aus vielen Lichtpunkten ein Bild zusammengesetzt werden kann, müssen wir viele Lichtleitfasern zusammenbündeln . Jede einzelne Faser überträgt dann ein einziges Bildelement . Das Bild auf der Objektivseite des flexiblen Endoskops wird also aufgeteilt in einzelne Bildelemente aus lauter einzelnen Lichtpunkten . Jede Faser überträgt ihren Lichtpunkt und auf der anderen Seite, auf der sich das Okular befindet, werden die einzelnen Lichtpunkte wieder zu einem Bild zusammengesetzt . Die Zeichnung zeigt das deutlich und noch etwas wird klar ; es reicht nicht einfach nur eine große Anzahl von Glasfasern zu bündeln . Die Fasern müssen auf der einen Seite in genau der gleichen Ordnung und möglichst dich gebündelt sein wie auf der anderen . Genau diese Ordnung von vielen Tausenden von Glasfasern macht die Herstellung faseroptischer Bildleiter so schwierig und die flexiblen Endoskope so teuer !

Das eine Ende eines Bildleiters sitzt genau in der Bildebene des Objektives . Jede Lichtleitfaser überträgt die Helligkeit und die Farbe ihres entsprechenden Bildpunktes an ihr anderes Ende . Dieses wird dann mit der Okular-Lupe betrachtet . Streng genommen ist es also gar kein Bild, was wir durch das Okular ansehen, sondern nur die Endfläche eines Glasfaserbündels . Es sind die einzelnen Lichtpunkte, die wir sehen und die mosaikartig das Bild wieder zusammensetzen . Es leuchtet ein, dass man bestrebt ist, möglichst dünne und möglichst viele Fasern in einem Bündel zusammenzufassen . Denn umso feiner gerastert wird erscheint das Bild besser und mehr Details können aufgelöst werden . Man kann das durchaus vergleichen mit der Darstellung von Bildern in Druckerzeugnissen . Ein Raster verschieden stark geschwärzter Punkte erzeugt das Bild, und ein Zeitungsbild hat ein gröberes Raster als beispielsweise ein Bild in einem Prospekt .

Sonderausführungen

Flexible- und starre Endoskope sind die Ausführungen, die man allgemein unter dem Begriff „Endoskope„

-Needlescope

Ein starres Endoskop, dünn wie eine Nadel ! Natürlich ist man bestrebt, immer dünnere Endoskope herzustellen, die auch durch kleinste Öffnungen in einen Hohlraum eingeführt werden können . Die dünnsten starren Endoskope haben zur Zeit einen Außendurchmesser, der irgendwo zwischen einem und zwei Millimetern liegt . Einschließlich komplettem Linsensystem und Vorrichtung zur Beleuchtung des Prüfraumes !

Aber es geht noch dünner, allerdings nicht mit einem Linsensystem der bekannten Art und nur einem Kompromiss bezüglich der optischen Bildübertragung verwendet man Glasfasern, die eigentlich zur Signal-Übertragung in der Nachrichtentechnik entwickelt wurden . Bei diesen Fasern ändert sich die Brechzahl nicht, wie bei den Stufenfasern, sprunghaft an der Grenzfläche zwischen Kern- und Mantelglas, sondern die Brechzahl nimmt stetig zum Rand hin ab . Fasern mit diesem Aufbau ( sie heißen „Gradientenfasern „) haben eine sehr kleine Dämpfung für Infrarot-Licht bestimmter Wellenlänge . Sie haben aber auch, abhängig von ihrer Länge, abbildende Eigenschaften . Strahlen, die von einem Punkt auf der einen Stirnfläche einer Gradientenfaser ausgehen, treffen sich wieder alle in einem Punkt auf der anderen Stirnfläche theoretisch jedenfalls . Da Gradientenfasern einen Durchmesser von wenigen Zehntel-Millimetern haben, lassen sich damit starre Endoskope mit einem Außendurchmesser von deutlich unter einem Millimeter herstellen .

Nur muß man schon sehr tolerant sein, was die Bildqualität betrifft ! Geringe Bildschärfe, Farbflecken, Verzerrungen, das Bild ist nicht vergleichbar mit dem, das man durch ein gutes starres Endoskop sieht . Der Grund dafür ist Gradientenfasern lassen sich nicht in der für eine makellose optische Abbildung notwendigen Präzision herstellen .Außerdem fehlt jede Möglichkeit zur Korrektur der Abbildungsfehler . Jedes bessere Objektiv besteht aus mehreren Linsen aus verschiedenen Glassorten, damit die Abbildungsfehler, die jedes optischen System besitzt, minimiert werden . Gradientenfaser muß man nehmen, wie sie sind um in kleine Öffnungen oder Bohrungen zu kucken . Den für solche Fälle erfüllt das „Needlescope" zweifellos seinen Zweck .

Zerlegbare Endoskope

Sie sind auch unter den Namen zusammensetzbare oder verlängerbare Endoskope bekannt . Es handelt sich hierbei um starre Endoskope im Baukasten-System . Die einzelnen Elemente sind zwischen 1m und 2m lang .Mit ihnen lassen sich Endoskope mit Längen von 10m, 20m oder noch mehr zusammensetzen Verschiedene Objektiv- oder Okularköpfe komplettieren das System . Der Anwendungsbereich dieser Endoskope liegt naturgemäß bei der Qualitätskontrolle von langen Bauteilen ( z. B. Rohren, Pipelines ) oder bei Inspektionen von industriellen Großanlagen, z. B. in Kraftwerken .

Video-Endoskop

Das Video-Endoskop ist die neuste Entwicklung auf dem Gebiet der flexiblen Endoskope . Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der Halbleitertechnik hat uns ein Element beschert, das eine Unmenge winzig kleiner lichtempfindlicher Zellen auf einem Chip hat, den Video-Chip . Kleine Video-Kameras, die statt mit einer Aufnahmeröhre mit einem Video-Chip ausgerüstet sind kann man schon überall kaufen . Diese Video-Chips sind bereits so klein, dass man mit ihnen flexible Endoskope bauen kann . Anstelle des Glasfaser-Bildleiters befindet sich in der Bildebene des Objektivs der Chip . Die Bildübertragung erfolgt durch elektrische Signale . Die Entwicklung der Video-Endoskope steht noch ganz am Anfang . Ob und in welcher Weise sie die flexiblen Endoskope mit optischer Bildübertragung einmal ergänzen (einige Typen vielleicht sogar ersetzen ) können, das lässt sich heute noch nicht absehen .

Beleuchtung

Im Inneren eines Körpers ist es in aller Regel dunkel . Damit ein Endoskop ein Bild aus einem Innenraum herausbringen kann, müssen wir erst einmal Licht hineinbringen . Jedoch wir wollen das Licht nicht auf irgendeinem getrennten Weg in den Hohlraum leiten, sondern die Lichtquelle muß ein integrierter Bestandteil des Endoskops sein . Bis in die sechziger Jahre hinein war die endoskopische Lichtquelle im Prinzip die gleiche wie im aller ersten Endoskop vor über 100 Jahren . Eine in die Spitze des Endoskop-Rohres eingebaute, winzig kleine Glühlampe .

Die Unzulänglichkeiten dieser Beleuchtungsart wurden kaum jemandem bewusst, es gab eben nichts Besseres . Aus heutiger sicht jedoch sind die Nachteile gravierend :

Geringe Lichtstärke, sie machte zum Beispiel die photographische Dokumentation endoskopischer Befunde praktisch unmöglich .
Hoher Platzbedarf .
Hohe Wärmeentwicklung, dadurch waren Untersuchungen in wärmeempfindlichen oder explosionsgefährdeten Bereiche nicht durchzuführen.
Der hohe Verbrauch an teuren Miniatur-Glühlampen .

Der technische Fortschritt hat die Herstellung dünner Glasfasern ermöglicht, durch die man platzsparend und sehr elegant Licht dorthin transportieren kann, wo man es braucht . Mit einer Glasfaser-Lichtleitung lässt sich eine sehr effiziente endoskopische Beleuchtung aufbauen .

Keine heiße Mini-Glühlampe mehr im Endoskop, sondern eine leistungsstarke Halogenglüh-lampe in einem eigenen Gehäuse, das getrennt vom Endoskop aufgestellt wird . Das Licht wird über Glasfaser-Lichtleiter zum Endoskop, unmittelbar neben dem Objektiv, aus .

Die Hitze, die eine Glühlampe erzeugt, wird nicht mit über den Lichtleiter übertragen . Deshalb kann man das Ende des Lichtleiters ( dort wo das Licht austritt ) berühren, ohne sich zu verbrennen und das, obwohl die austretende Lichtintensität viel höher ist als bei einer vergleichbar großen Glühlampe . Deshalb wird diese Art der Beleuchtung kurz Kaltlicht-Beleuchtung genannt .

Als mit dieser Beleuchtungsart eine Lichtquelle zur Verfügung stand, die mindestens genau so hell war wie eine Glühlampe, aber nicht deren Hitze produzierte, war dieser Begriff schnell geboren . Er kennzeichnet treffsicher und prägnant die wesentlichste Eigenschaft dieser Lichtart. Aber er ist, streng genommen, physikalischer Unsinn !

Kalt und warm sind Temperaturbezeichnungen, Temperaturangaben sind aber nur bei festen, flüssigen oder gasförmigen Körpern sinnvoll . Licht ist aber kein Körper . Licht ist vielmehr, wie jede elektromagnetische Strahlung, Transport von Energie, die sich beim Eindringen in einen Körper in Wärme umwandelt . Um das zu erfahren, reicht ein ausgedehntes Sonnenbad . Eine Glühlampe produziert fast nur Wärme und nur wenig Licht . Eine Neonröhre ist da schon etwas effektiver, diese kann man auch während des Betriebes schon anfassen, ohne sich zu verbrennen . Eine Kaltlichtquelle, das ist das Ende eines Lichtleiters, sendet fast nur Licht aus ! In den nahezu 30 Jahren seit Erfindung der Kaltlichtbeleuchtung hat man aber gelernt, außer-ordentlich leistungsfähige Kaltlichtquellen zu bauen . Das Licht kann so intensiv sein, dass man sich sehr schnell verbrennen kann, wohlgemerkt nur am Licht und nicht etwa an einem heißen Lichtleiter-Ende . Das ist nämlich gar nicht heiß, wie man sich durch Ausschalten sofort überzeugen kann ! Man sollte also das freie Ende eines Lichtleiters tunlichst mit viel Vorsicht behandeln !

Kaltlicht ist also nicht etwa kaltes Licht, sondern Licht das keine wesentlichen Anteile an unsichtbarer Wärmestrahlung enthält .

Die Vorteile der Kaltlichtbeleuchtung sind so evident, dass sie ihren praktisch einzigen Nachteil, den höheren Anschaffungspreis, mehr als ausgleichen . Sie hat innerhalb von kurzer Zeit die Glühlampenbeleuchtung weitgehend verdrängt, so dass heute nur noch sehr wenige Endoskope mit Glühlampenbeleuchtung angeboten werden . Überlebt hat sie eigentlich nur bei den langen, zerlegbaren Endoskopsystemen . Bei ihnen ist die Kaltlichtbeleuchtung nicht ohne weiteres anwendbar, und zwar wegen ihrer großen Länge ( Es würde zuviel Licht absorbiert ) und wegen ihrer Trennstellen die keine durchgehende Glasfaserlichtleitung ermöglichen .

Erst die Kaltlichtbeleuchtung kann so hohe Beleuchtungsstärken erzeugen, dass endoskopische Photo- und Filmaufnahmen möglich werden . Die Kaltlichtbeleuchtung braucht nicht viel Platz . Kaltlicht-Endoskope sind robust, flüssigkeitsdicht und mit ihnen ist eine Inspektion auch in explosionsgefährdeten Bereichen durchführbar ( Flugzeugtriebwerke oder Treibstofftanks ) .

Kaltlicht-Projektoren

Die Kaltlicht-Projektoren werden mit leistungsstarken Glüh- oder Entladungslampengebaut . Aber Vorsicht nicht allein die absolute Leistungsaufnahme ( in Watt ) ist maßgeblich für die Lichtstärke eines Kaltlicht-Projektors . Wichtig ist, dass von der von einer Glühlampe in Licht umgesetzten Leistung möglichst viel in den Lichtleiter hineinkommt . Ein einfacher, allerdings nicht sehr effektiver Aufbau ist ein Hohlspiegel an der Rückseite der Lampe . Er reflektiert das in die falsche Richtung, nämlich nach hinten abgestrahlte Licht wieder nach vorn, wo sich der Lichtleiter befindet . Wirkungsvoller ist da schon ein zusätzliches Linsensystem, das Kondensorsystem, das einen großen Winkelbereich des Lichtstroms der Glühlampe aufnimmt und auf die Stirnfläche des Lichtleiters fokussiert .

Der Glühfaden einer Halogenlampe für einen Kaltlicht-Projektor sollte möglichst kurz sein, da er ja vom Kondensorsystem komplett in den Lichtleiter abgebildet werden soll . Die Temperatur und damit die Helligkeit der Glühfäden verschiedener Halogenlampen ist nahezu unabhängig von der Leistung der Lampen . Der Glühfaden einer 20 Watt Lampe leuchtet genau so hell wie der Glühfaden einer 500 Watt Lampe, die stärkere Lampe hat nur einen entsprechend längeren Glühfaden . Hiermit wird auch klar, dass man die Leistung eines Kaltlicht-Projektors nicht dadurch beliebig steigern kann, indem man immer stärkere Glühlampen verwendet . Das Kondensorsystem kann immer nur einen bestimmten maximalen Glühfadenabschnitt in den Lichtleiter abbilden, Licht von längeren Glühfäden geht seitlich verloren und trägt lediglich zur Erwärmung der Lichtquelle bei . Die für endoskopische Kaltlichtquellen vernünftige Obergrenze der elektrischen Leistung von Halogenglühlampen liegt bei150 Watt bis 250 Watt . Werden höhere Lichtstärken benötigt, so ist der Einsatz von Kaltlichtquellen mit Entladungslampen notwendig, die einen kurzen Lichtbogen hoher Intensität haben .

Lichtleiter

Lichtleiter haben die Aufgabe, Licht von einem Ort zu einem anderen zu Transportieren, und zwar innerhalb von faseroptischen Elementen, auch über beliebig gekrümmte Wege . Ein Lichtstrahl, der über eine Reihe von Spiegeln abgelenkt wird, ist also noch kein Lichtleiter in unserem Sinn . Wie wir schon vorhin bei den flexiblen Endoskopen erläutert haben, erfolgt die Lichtleitung innerhalb eines faseroptischen Elementes immer durch Totalreflexion an der Grenzschicht zweier optischverschieden dichter Stoffe .

Es gibt Glasfaser-Lichtleiter und Flüssigkeits-Lichtleiter, die beide ihre spezifischen Vorteile haben.

Glasfaser-Lichtleiter

Glasfaser-Lichtleiter sind die am weitesten verbreiteten Lichtleiter . Die Technik der Herstellung von Glasfasern ist ausgereift, und auch derjenige, der nichts mit Endoskopie zu tun hat, begegnet Glasfaser-Lichtleiter auf Schritt und Tritt . Leuchtende Verkehrszeichen, Armaturentafel-Beleuchtungen und nicht zuletzt die vor einiger Zeit in Mode gekommenen Pinsel-Leuchten . die in der Nachrichtentechnik zur Übertragung von Hochfrequenz-Signalen eingesetzten Glasfasern sind allerdings etwas anders aufgebaut . Die für die Lichtleitung verwendeten Glasfasern haben für alle Lichtwellenlängen ( das heißt für alle Farben ) eine annähernd gleichmäßige Durchlässigkeit . Sie lassen lediglich das kurzwellige, violette Licht etwas schlechter durch . Weißes Licht erhält also, besonders bei langen Lichtleitern, einen etwas warmen Farbton . Lichtleiter guter Qualität haben einen Verlust von etwa 10% Licht auf 1m Länge . Man darf allerdings nicht vergessen, dass ein großer Teil des auftreffenden Lichts gar nicht in den Lichtleiter eindringt . Auch bei einem dicht gepackten Lichtleiter befinden sich zwischen den einzelnen, kreisrunden Fasern Zwischenräume, und Licht, das auf diese Zwischenräume auftrifft, kann nicht in die Faser gelangen . Ein weiterer Teil des Lichts wird von den Stirnflächen der Fasern wieder zurückreflektiert und dann gibt es noch die Strahlen, die unter einem zu steilen Winkel auf die Fasern auftreffen, so dass die Totalreflexion nicht funktionieren kann . Diese Strahlen treten seitlich wieder aus der Faser aus . Alle diese Einstrahlungsverluste summieren sich auf etwa 40%, so dass am Ende eines 2m langen Glasfaser-Lichtleiters bestenfalls noch die Hälfte des am Anfang des Lichtleiters auftreffenden Lichts zur Verfügung steht .

Flüssigkeits-Lichtleiter

Flüssigkeits-Lichtleiter bestehen im wesentlichen aus einem Kunststoffschlauch, der eine spezielle Flüssigkeit enthält . Die Totalreflexion findet an der Grenzschicht zwischen Flüssigkeit und Schlauch statt . Ein Flüssigkeits-Lichtleiter ist also eine einzige dicke Faser . An beiden Enden ist der Flüssigkeits-Lichtleiter mit je einem Stab aus Quarzglas abgeschlossen .

Der wichtigste Unterschied zum Glasfaser-Lichtleiter, er hat eine etwas höhere Durchlässigkeit und überträgt auch violettes Licht genau so gut wie die anderen Farben . Ein Flüssigkeits-Lichtleiter ist auch für langwellige Ultraviolett-Strahlung durchlässig . Dafür ist der Flüssigkeits-Lichtleiter etwas weniger flexibel als der Glasfaser-Lichtleiter ( Wasser ist halt nicht komprimierbar ), und man muß ihn auch etwas vorsichtiger handhaben . So sollte man ihn tunlichst nicht über 100°C erwärmen . Wohingegen Glasfaser-Lichtleiter durchaus auch mal 150°C aushalten können .

Flüssigkeits-Lichtleiter brauchen ihren kreis runden Querschnitt, sonst funktioniert die Totalreflexion und damit die Lichtleitung nicht . Sie lassen sich deshalb auch nicht so platzsparend in Endoskope einbauen wie Glasfasern, mit denen man beliebig geformte Zwischenräume in einem Endoskop ausfüllen kann .

Kenndaten von Endoskopen

Nach welchen Kriterien muß das für einen bestimmten Anwendungsfall geeignete Endoskop ausgewählt werden ?

Die folgenden Fragen sind wesentlich :

Ist die Prüfstelle auf geradem Weg zugänglich oder nicht ?
Unter welchen Winkel zum Zugangsweg liegt die Prüfstelle, muß man um die Ecke sehen ?
Wie groß ist die Ausdehnung des zu prüfenden Bereiches ?
Sind erschwerte Umgebungsbedingungen vorhanden, zum Beispiel hohe Temperaturen, hohe Drücke, aggressive Medien ?

Mechanische Kenndaten

In aller Regel liegen die endoskopisch zu untersuchenden Prüfstellen im Inneren eines Körpers, Gegenstands . Wir müssen also die Spitze unseres Endoskope ( das Objektiv ) auf irgendeinem Weg in das Innere bringen . Ist dies nur auf einem gekrümmten Weg möglich so muß man ein flexibles Endoskop verwenden . Kann der Zugang aber auf einem geraden Weg erreicht werden, so ist ein starres Endoskop besser geeignet . Es überträgt ein klareres Bild mit größerer Detail-Erkennbarkeit und es ist zudem wesentlich billiger als ein flexibles Endoskop .

Starre und flexible Endoskope gibt es in Hunderten von Ausführungen, für alle Anwendungs-Zwecke .Das ideale Universal-Endoskop, das für alle denkbaren Zwecke oder Aufgaben geeignet wäre, das allerdings gibt es leider nicht ! Die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale sind die Dimensionen der Endoskope und ihre optischen Eigenschaften . Die gängigsten Längen der Endoskope liegen etwa zwischen 50mm und 2m, die Durchmesser um 3mm bis 10mm . Die dünnsten Endoskope haben Durchmesser unter 2mm . Lange Endoskope sind schon aus Gründen der Stabilität dicker, ihr Durchmesser kann bis zu einigen wenigen Zentimeter betragen

Für die Auswahl eines Endoskope gilt noch die allgemeine Regel :

So lang wie nötig, aber so kurz wie möglich .
So dünn wie nötig, aber so dick wie möglich .

Der Grund leuchtet ein, kurze Endoskope sind leichter zu handhaben ( außerdem sind sie billiger

Und dicke Endoskope erzeugen ein größeres Bild .

Optische Kenndaten

Sichtfeld eines Endoskops

Die optischen Eigenschaften eines Endoskops bestimmen, welcher Teil eines Prüfraumes in welcher Vergrößerung sichtbar gemacht wird . Wollen wir die Innenwand eines Rohres inspizieren, so nützt uns ein Endoskop, das genau nach vorn sieht, wenig . Es muß eine seitliche Ausblickrichtung haben . Oder führen wir ein Endoskop durch eine Flansch-Bohrung ein und wollen die Schweißnaht innen rings um den Flansch prüfen (bei Druckgas-Flaschen sehr wichtig), so muß das Endoskop nach rückwärts blicken können . Wollen wir einen kleinen Holraum möglichst vollständig überprüfen, beispielsweise den Verbrennungsraum eines Motors, so benötigen wir ein Endoskop mit einem starken Weitwinkel-Objektiv .

In der Medizin ist es genau so .

Die Zeichnung zeigt schematisch einige gebräuchliche Blickrichtungen und Gesichtsfeldwinkel für starre Endoskope .

Bei flexiblen Endoskopen kann das vordere Ende mit dem Objektiv abgelenkt werden, ferngesteuert durch Hebel oder Handräder am Okular . Man muß aber berücksichtigen, dass für die Objektivbewegung verhältnismäßig viel Platz im Prüfraum benötigt wird .

Vergrößerung

Mit Sicherheit eine der ersten Fragen von jemanden, der durch ein Endoskop schaut, wie stark vergrößert denn das Ding ?

Diese Frage ist gar nicht so leicht zu beantworten, jedenfalls nicht mit der Angabe einer einzelnen Zahl . Um das zu erläutern, müssen wir etwas weiter ausholen .

Was ist eigentlich Vergrößerung ?

Wir kennen die Vergrößerung eines Fernrohres und wir wissen was wir unter der Vergrößerung einer Lupe zu verstehen haben . Irgendwie spürt man es schon, obwohl in beiden Fällen das gleiche Wort „ Vergrößerung „ gebraucht wird, gibt es da doch einen Unterschied in der Bedeutung .

Das Auge ist kein Messinstrument, das absolute Längenmessungen durchführen kann . Wir können die Größe eines Gegenstandes nur aufgrund des Winkels, unter dem wir den Gegenstand sehen, angeben . Je weiter entfernt ein Gegenstand ist, desto kleiner erscheint er . Je näher, desto größer . Ein Fernrohr vergrößert nun den Sehwinkel und rückt dadurch den Gegenstand scheinbar näher . Der Vergrößerungsfaktor eines Fernrohres gibt an, um wie viel Mal der Winkel, unter dem wir entfernte Gegenstände sehen, vergrößert wird . Um es unmissverständlich auszudrücken, spricht man hier von der Fernrohr-Vergrößerung .

Eine Lupe oder ein Mikroskop soll nicht weit entfernte Gegenstände in die Nähe holen, sondern nahegelegene, kleine Dinge größer abbilden. Hier ist die Frage wichtig, um wie viele Male ein Gegenstand mit Lupe größer erscheint als ohne Lupe . Halten wir eine Lupe vor die Augen, so sehen wir ganz eindeutig, wie groß ein bestimmter Gegenstand erscheint . Was sollen wir aber unter der Größe dieses Gegenstandes ohne Lupe verstehen ? Je weiter wir ihn vom Auge weg halten, desto kleiner erscheint er uns ja . Hier bleibt nichts anderes übrig, man muß sich auf einen bestimmten Abstand einigen, damit man die Vergrößerung einer Lupe eindeutig angeben kann . Man hat sich deshalb auf einem Abstand von 250mm festgelegt . Das ist kein naturgege-bener Wert, man hätte ebenso gut 200 mm oder 300 mm nehmen können . Wichtig ist nur, dass sich jede Angabe eines Vergrößerungsfaktors auf ein und denselben Wert bezieht . Damit diese Zahl genormt worden und heißt „deutliche Sehweite" . Unter der Lupen Vergrößerung versteht man also die Angabe, um wie viel Mal ein Gegenstand mit Lupe größer erscheint als ohne Lupe in einer Entfernung von 250 mm .

Da man mit einem Endoskop nahegelegene Dinge beobachtet, ist es folgerichtig, unter der Vergrößerung eines Endoskops die Lupen-Vergrößerung zu verstehen . Ganz so einfach ist es nun aber auch wieder nicht . Eine Lupe ist durch die Angabe der Vergrößerung eindeutig definiert . Das liegt an ihrer geringen Tiefenschärfe . Ein Gegenstand wird nur in einem ganz bestimmten Größe scharf gesehen . Anders beim Endoskop, es hat eine enorme Tiefenschärfe . Zur Angabe des Vergrößerungsfaktors eines Endoskops gehört also immer noch die Angabe, wie weit der Gegenstand von der Spitze des Endoskops, wo das Objektiv sitzt, entfernt ist .

Der Vergrößerungsfaktor ist genau umgekehrt proportional zum Abstand, bei halben Abstand ist die Vergrößerung doppelt so groß und umgekehrt . Der Abstand, für den der Vergrößerungs-faktor gleich Eins ist, heißt „ neutrale Distanz „ ist demnach ein eindeutiges Kennzeichen für das Vergrößerungsverhalten eines Endoskops .

AuflösungsvermögenDie mehr oder minder gut ausgeprägte Fähigkeit eines optischen Instrumentes, auch kleine Details abbilden zu können, nennt man das „ optische Auflösungsvermögen „ . Hierin unterscheiden sich starre und Flexible Endoskope stark voneinander . Das Auflösungsvermögen eines flexiblen Endoskops wird bestimmt durch die Anzahl der Glasfaser, die der Bildleiter enthält . Das sind bei den heute gängigen Typen etwa zwischen 5000 und 40000 Fasern . Bei einem starren Endoskop mit Linsensystem ist das Auflösungsvermögen letztlich nur begrenzt durch die Lichtwellenlänge und damit wesentlich höher als bei einem flexiblen . Ein Vergleich, Vergrößert man ein durch ein starres Endoskop aufgenommenes Photo auf etwa DIN-A4 Format, so liegt die durch das begrenzte Auflösungsvermögen verursachte Unschärfe im Zehntel-Millimeter Bereich . Bei einem flexiblen Endoskop liegt diese Unschärfe in diesem Fall im Millimeter-Bereich, das heißt man kann das Mosaik der einzelnen Glasfasern deutlich erkennen .

Messen mit dem Endoskop ?Wir wissen, ein Endoskop ist eine Sehhilfe, ein optisches Prüfinstrument, aber kein Messinstrument .

Man kann jedoch mit einem Endoskop kleine Messinstrumente oder Mess-Sonden in den Holraum einführen . Will man z. B. die Temperatur im Inneren eines Aggregates wissen, kann man ein kleines Thermoelement in den Hohlraum bringen und sogar endoskopisch positionieren Auch andere Mess-Sonden, die sich entsprechend miniaturisieren lassen, können zusammen mit Endoskopen verwendet werden, Ultraschallsonden zur Messung von Schichtdicken .

Eine der wichtigsten Messaufgaben wird aber immer die Längenmessung sein . Wie groß ist die Bohrung ? Wie lang ist der Riss ? Wie groß ist die Ader oder Tumor ? Diese und ähnliche Fragen wollen beantwortet sein .

Ein typischer Fall hierfür ist die Inspektion von Flugzeugen . Dazu werden schon seit vielen Jahren Endoskope eingesetzt . Eine Flugzeugwartung ohne Endoskope ist heute kaum mehr denkbar . Moderne Triebwerke sind bereits im Hinblick auf eine periodische endoskopische Inspektion konstruiert, das heißt sie besitzen alle für die Einführung von Endoskopen notwendigen Bohrungen . Dann werden bei den Leistungstests zusätzlich endoskopisch Inspektionen des Triebwerks durchgeführt, so dürfen die Zeiträume zwischen den Generalüberholungen wesentlich verlängert werden .

Solche Messungen sind endoskopisch gar nicht so einfach zu bewerkstelligen . Eine Strichplatte ins Okular einzubauen, wie bei einem Messmikroskop, ist einfach . Bei dem vom Abstand abhängigen Vergrößerungsfaktor eines Endoskops ist aber im allgemeinen kein eindeutiger Zusammenhang zwischen Strichabstand und Objektgröße gegeben . Eindeutig ist dieser Zusammenhang nur dann, wenn der Abstand immer gleich und natürlich bekannt ist . In diesem Fall kann man sogar speziell gefertigte Strichplatten einbauen, an denen man die Längen direkt ablesen kann .

In den anderen Fällen bleibt nichts anderes übrig, als einen Vergleichsmaßstab mit in den Hohlraum einzuführen oder auf irgendeinem Weg eine Information über den Objekt-Abstand zu erhalten, um die Okular-Strichplatte kalibrieren zu können . Der Vergleichsmaßstab ist eine Art Bandmaß, das mit dem Endoskop verbunden ist und das an Ort und Stelle ausgefahren werden kann . Auf ähnliche Art und Weise kann mit einer kalibrierten mechanischen Sonde auch der Objekt-Abstand bestimmt werden .

Optische Verfahren zur Bestimmung des Objekt-Abstandes, etwa nach Art von Entfernungsmessern oder mit Laserstrahlen oder holographische Verfahren, sind sehr aufwendig, zum Teil noch nicht aus dem Laborstadium heraus und weniger für routinemäßig durchgeführte Endoskopien geeignet .

Dokumentation

Dokumentation endoskopischer Befunde, unter diesem Begriff fasst man alles zusammen, was mit der Aufnahme und der Archivierung endoskopischer Arbeiten auf Film oder Video zu tun hat . Auch die Speicherung und Weiterverarbeitung endoskopischer Informationen mit den modernen Mitteln elektronischer Datenverarbeitung gehören unter den Begriff .

Die Bedeutung der Dokumentation endoskopischer Befunde hat in der jüngsten Vergangenheit stark zugenommen, nicht zuletzt durch die stürmische Entwicklung auf dem Gebiet der Video- und Computertechnik . Von einer rein visuellen, auf den Augenblick bezogenen Untersuchung mit subjektiver Beurteilung des Befundes hat sich die Endoskopie zu einem objektiven Prüfverfahren entwickelt . Zerstörungsfrei lässt sich, wenn notwendig, über Jahre hinweg der Zustand eines Teiles endoskopisch verfolgen . Beispielsweise bei Dauerversuchen, zur Verfolgung der Schadensentwicklung oder zur Beweissicherung .

Die Technik endoskopischer Foto-, Film- oder Videoaufnahmen unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der Arbeitsweise sind jedoch aufgrund der besonderen Bauweise von Endoskopen zu beachten .

Durch das Objektiv einer Kamera wird das endoskopische Bild stark vergrößert .
Die Art der Beleuchtung ist durch die im Endoskop eingebaute Glasfaser-Lichtleitung vorgegeben .

Das originale endoskopische Bild ist nur wenige Millimeter, manchmal sogar unter 1 mm groß . Die Größe ist abhängig vom Typ des Endoskops . Bei der Abbildung auf einen Film oder auf die Aufnahmefläche einer Videokamera wird also das Bild stark vergrößert . Dadurch sinkt entsprechend die Helligkeit des Bildes, da die gleiche Lichtmenge eine größere Bildfläche ausleuchten muß . Der Vergrößerungsfaktor, und damit die Größe des endoskopischen Bildes auf dem Film oder dem Monitor, ist allein eine Funktion der Brennweite des Kamera-Objektives . Die Helligkeit ist unabhängig von der Lichtstärke des verwendeten Objektives, sie hängt auch nicht von der eingestellten Blendenzahl ab !

Fotografie

Über lange Jahre hinweg hat besonders der hohe Lichtbedarf die endoskopische Fotografie zu einem Spezialgebiet für wenige gemacht . Aber durch die Entwicklung leistungsfähiger endoskopischer Lichtquellen auf der einen Seite sowie hochempfindlicher Filme auf der anderen Seite ist die fotografische Dokumentation endoskopischer Befunde heute kein Problem mehr . Für besonders hohen Lichtbedarf ist in vielen Fällen der Einsatz Spezieller Schäfte zur Lichtleitung möglich . Diese werden mit dem Endoskop verbunden und haben einen besonders großen Glasfaserquerschnitt zur Erzielung hoher Beleuchtungsstärken .

Wie in der künstlerischen Fotografie, so ist auch in der Fotografie technischer Objekte die Licht-führung zur Beleuchtung des aufzunehmenden Gegenstandes ein wichtiges Gestaltungselement . Durch die fest im Endoskop eingebaute Glasfaser-Lichtführung fehlt die Möglichkeit, die Lichtführung unabhängig vom Endoskop zu verändern . der Lichtaustritt liegt immer ( von Sonderausführungen einmal abgesehen ) in unmittelbarer Nähe des Endoskop-Objektivs .Die leuchtende Fläche ist sehr klein, so dass wir sie als nahezu punktförmig ansehen können . Die Beleuchtungsstärke nimmt demnach mit dem Abstand zum Endoskop-Objektiv sehr stark, nämlich quadratisch, ab . In 50 mm Entfernung vom Endoskop beträgt die Beleuchtungsstärke nur noch 1% der Beleuchtungsstärke in 5 mm Abstand ! Um Unterbelichtungen des Hintergrundes und Überstrahlungen des Vordergrundes zu vermeiden, dürfen also die bildwichtigen Elemente eines endoskopischen Befundes nicht allzu weit in der Tiefe gestaffelt sein .

Sind im Prüfraum gut reflektierende ( z. B. metallische ) Flächen vorhanden, so kann es passieren, dass sich die Lichtaustrittsfläche im Blickfeld spiegelt . Das führt zu starken Überstrahlungen im Bild .

Auch in diesem Fall betrügt uns unser Auge, es ist ein blickendes Instrument, das ein bestimmtes Sichtfeld nacheinander aufnimmt . Sehen wir auf einen hellen Vordergrund, so stellt sich augenblicklich das Auge darauf ein, und der Hintergrund ist zunächst uninteressant und umgekehrt . Ein fotografischer Film muß aber hellen Vordergrund und dunklen Hintergrund gleichzeitig aufnehmen . Außerdem kann er bei weitem nicht so starke Kotrastunterschiede auflösen wie das Auge . Abhilfe kann hier die Verwendung eines Endoskops mit anderer Blickrichtung schaffen . In besonders schwierigen Fällen muß man Sonderausführungen mit spezieller Lichtführung verwenden . Ein Beispiel soll uns das verdeutlichen . Die Inspektion von Rohr-Innenwänden ist eine sehr wichtige Qualitätsprüfung, in vielen Fällen wird vom Hersteller sogar eine 100% Prüfung durchgeführt . Der Zweck der Prüfung bestimmt die Auswahl der Blickrichtung des Endoskops . Endoskope mit Vorausblick-Optiken, das heißt mit Blickrichtungen von 0° bis 30°, geben einem größeren Überblick . Sie zeigen z. B. den Verlauf von Schweißnähten oder von Drallrillen über eine größere Strecke .

Wichtiger werden allerdings die Endoskope mit Seitblick-Optiken sein, denn sie geben Details der Rohr-Innenwand in stärkerer Vergrößerung wieder . Da aber normalerweise die Beleuchtungsrichtung mit der Blickrichtung übereinstimmt, spiegelt sich die Lichtaustrittsfläche des Endoskops im Blickfeld . Das führt zu Blendungen, die eine genaue Inspektion unmöglich machen und zu einer schnellen Übermüdung des Auges . Besser geeignet hierfür sind Endoskope, bei denen ( wie die Zeichnung zeigt ) die Lichtrichtung von der Blickrichtung verschieden ist . Eine streifende Beleuchtung erzeugt einmal eine gleichmäßige Ausleuchtung und macht darüber hinaus auch kleine Unregelmäßigkeiten deutlicher sichtbar .

Die Ausrüstung

Zur endoskopischen Fotografie braucht man die endoskopische Ausrüstung, eine Kamera mit Objektiv sowie einen Adapter, um das Endoskop mit der Kamera zu verbinden .Kameratyp

Die Kamera muß eine einäugige Spiegelreflexkamera sein . Das Okular des Endoskops ist fest mit der Kamera verbunden und nur bei diesem Kameratyp besteht die Möglichkeit, das endoskopische Bild durch den Sucher der Kamera zu sehen . Die Sucherscheibe der Kamera muß austauschbar sein, denn wie ich vorhin schon ausgeführt habe, nimmt die Bildhelligkeit durch die Vergrößerung des endoskopischen Bildes stark ab . Da die normalerweise im Sucher einer Kamera enthaltene Mattscheibe das Licht in alle Richtungen streut, ist das Sucherbild so dunkel, dass eine einwandfreie Wahl des Bildausschnittes und eine genaue Scharfeinstellung nicht möglich sind . Anstelle der Mattscheibe muß in den Sucher eine Klarglasscheibe mit einer Einstellhilfe ( Fadenkreuz, Messraster oder ähnliches ) eingesetzt werden .

Sehr empfehlenswert ist die Verwendung einer Kamera mit einer automatischen TTL-Belichtungsregelung, bei der das durch das Objektiv einfallende Licht gemessen wird . Das System sollte auch lange Belichtungszeiten zuverlässig regeln können . Da bei endoskopischen Fotos das Filmformat i. a. nicht voll ausgenutzt wird, bringen Kameras mit einer mittenbetonten Belichtungsmessung die besten Ergebnisse .Objektive

Von den Endoskopherstellern werden spezielle Objektive zur Adaptierung von Endoskopen angeboten . Aber sind wir ehrlich, man kann ohne weiteres auch die kameraeigenen Objektive verwenden . Sie bieten zudem noch den Vorteil, dass man mit ihnen auch normal fotografieren kann . Das Endoskop wird mit einem Adapter, der z. B. in das Filtergewinde eingeschraubt wird, mit dem Objektiv verbunden . Bei der Wahl der geeigneten Brennweite muß ein Kompromiss geschlossen werden, denn sie bestimmt die Größe des endoskopischen Bildes auf dem Film . Doppelte Brennweite bedeutet doppelten Bilddurchmesser . Eine längere Brennweite nutzt das Filmformat besser aus, erhöht aber auch den Lichtbedarf für ein richtig belichtetes Foto . Eine Verdoppelung der Brennweite macht die vierfache Lichtmenge notwendig . Im allgemeinen wird man bei Kleinbildkameras mit Objektiven mit Brennweiten um 100 mm ( also leichten Teleobjektiven ) gut arbeiten können . Formatfüllende Aufnahmen, wie sie zum Beispiel bei der Fotografie von Architektur-Modellen gewünscht werden, erhält man allerdings erst mit Objektiven mit einer Brennweite von mindestens 200 mm, also mit starken Teleobjektiven . Objektive mit Brennweiten unter 50 mm sind nicht geeignet . Sie liefern einfach ein zu kleines Bild . Die Lichtstärke eines Objektivs ist praktisch ohne Bedeutung für die endoskopische Fotografie .Lichtquellen

In der technischen Endoskopie handelt es sich häufig um die Fotografie von ruhenden Objekten . Als Lichtquellen können dann die gleichen Kaltlichtprojektoren wie für die visuelle Inspektion eingesetzt werden . Die Belichtungszeiten sind allerdings verhältnismäßig lang ( in ungünstigen Fällen bis in den Minutenbereich ) . Die Verwendung eines stabilen Stativs ist also unumgäng-lich . Damit die Wahl des Bildausschnittes nicht gar zu umständlich wird, sollte auch der Neigekopf des Stativs in allen Richtungen verstellbar sein . Sollen bewegte Objekte fotografiert werden, oder will man auf die Verwendung eines Stativs verzichten, so müssen spezielle endoskopische Blitzgeräte eingesetzt werden .

Überhaupt kein endoskopische Lichtquelle benötigt man, wenn Objekte fotografiert werden sollen, die von außen beleuchtet werden können . Das ist zum Beispiel bei der Fotografie von Architekturmodellen der Fall . Auch können Endoskope wie Vorsatz-Objektive benutzt werden, um zu faszinierenden Fotos in ungewohnter Perspektive zu kommen . In all diesen Fällen kann das Aufnahme-Objekt mit normalen Fotoleuchten bestrahlt werden, in vielen Fällen reicht auch das Tageslicht aus .Filmmaterial

Im Interesse einer möglichst kurzen Belichtungszeit wird man in der Regel hochempfindliche Filme für die endoskopische Fotografie nehmen ( zwingend notwendig ist das allerdings nicht ) . Für Farbdiaaufnahmen sind bei der Benutzung von Kaltlichtprojektoren mit Halogenglühlampen Kunstlichtfilme zu verwenden, bei der Benutzung von Blitzlichtgeräten oder Xenon-Kaltlicht-projektoren empfehlen sich dagegen Tageslichtfilme .

Videotechnik

Die Videotechnik hat sich zu einem wichtigen Zweig der technischen Endoskopie entwickelt . Endoskopische Befunde können am Monitor von einer großen Gruppe gleichzeitig beurteilt und bequem auf Videoband gespeichert werden . Da sich Videokassetten problemlos verschicken lassen, können die Darstellung endoskopischer Untersuchungs-Methoden sowie die kommen-tierten Befunde jedem Interessenten leicht zugänglich gemacht werden .

Der mit einer Videokamera aufgenommene endoskopische Befund liegt in digitalisierter Form vor . Mit einem Computer kann er also auf Magnetplatten gespeichert, jederzeit ausgedruckt oder mit den Methoden der digitalen Bildverarbeitung analysiert werden .Die Ausrüstung

Folgende Gesichtspunkte bestimmen die Wahl der richtigen Ausrüstung .Videokamera

Die Halbleitertechnik hat die Entwicklung von kleinen, robusten Videokameras ermöglicht die keine Aufnahmeröhre mehr haben, sonder deren lichtempfindliches Element ein Fotohalbleiter, der „ Video-Chip „ ist . Sie sind für endoskopische Videoaufnahmen hervorragend geeignet . Röhrenkameras, bestückt zum Beispiel mit einer hochlichtempfindlichen Newvicon-Röhre, können bei kritischen Lichtverhältnissen eingesetzt werden .Objektive

Videokameras sind häufig mit Vario-Objektiven mit großen Brennweitenbereich ausgestattet . Aufgrund ihrer Bauweise können diese Objektive in aller Regel nicht mit Endoskopen verwendet werden . Es kommt zu einer ringförmigen Abschattung ( Vignettierung ) des endoskopischen Bildes, die Objektive können also nicht die gesamte endoskopische Bildinformation übertragen . Es handelt sich hierbei um eine Eigenschaft, die nichts mit der Qualität eines Objektives zu tun hat, sondern nur auf deren Bauweise zurückzuführen ist . Es gibt auch einige Objektive ( besonders solche mit einem kleinen, etwa 2- bis 3fachen Verstellbereich der Brennweite ), die diesen Effekt nicht zeigen und deshalb für Aufnahmen mit Endoskopen geeignet sind . Problemlos lassen sich dagegen Objektive mit fester Brennweite verwenden . Geeignete Brennweiten liegen etwa im Bereich von 20 mm bis 70 mm, abhängig vom Endoskoptyp sowie von der Größe des lichtempfindlichen Elements in der Kamera .Lichtquellen

Die modernen Videokameras sind so lichtempfindlich dass für endoskopische Aufnahmen in nicht zu großen Holräumen die Lichtstärke der Kaltlicht-Projektoren mit Halogenglühlampen ausreichend ist . Anderenfalls bleibt nichts anders übrig, als auf die teueren Kaltlicht-Projektoren mit Entladungslampen auszuweichen .Filmaufnahmen

Die Bedeutung der endoskopischen Kinematografie hat in den letzten Jahren, zugunsten der einfacher zu handhabenden Videotechnik, abgenommen . Sie spielt nur noch in den Bereich eine Rolle, in denen die Filmtechnik der Videotechnik noch überlegen ist, zum Beispiel bei Hochgeschwindigkeitsaufnahmen .

versteht . Es gibt aber noch Sonderausführungen die ich noch erwähnen möchte .

Ausgearbeitet von Michael Henne Uslar