Endoskop

Ein Endoskop (griechisch: end(o) = innen, darinnen; scopein = betrachten, untersuchen) ist ein Gerät, mit dem das Innere von lebenden Organismen, aber auch technischen Hohlräumen durch Bildgebung untersucht oder gar manipuliert werden kann. Ursprünglich für die humanmedizinische Diagnostik entwickelt, wird es heute auch für minimal-invasive operative Eingriffe an Mensch und Tier sowie in der Industrie zur Sichtprüfung schwer zugänglicher Hohlräume eingesetzt.

Der von Hermann von Helmholtz 1850/51 entwickelte Augenspiegel wird als das erste praktisch angewendete Gerät zur Einsicht in das Organinnere, also das erste Endoskop angesehen.^[1] Sein Aufbau unterscheidet sich naturgemäß von dem anderer Endoskope.

Die bekanntesten Hersteller von Endoskopen kommen aus Frankreich, der Schweiz, den USA, Deutschland und Japan.

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Grundarten

• Starres Endoskop (Beispiele: techn. Boroskop (siehe unten) - med. Arthroskop, Zystoskop)
• Flexibles Endoskop (Beispiel: techn. Flexoskop (siehe unten) - med. Gastroskop, Koloskop, Bronchoskop)
• Videoendoskop

Basiskomponenten

  Zu einem einfachen Endoskopset gehören:

1. Lichtquelle
2. Lichtleiter
3. Endoskop

Einzelne Komponenten verschiedener Hersteller lassen sich in der Regel nicht ohne weiteres kombinieren. Ein Lichtleiter oder Endoskop des einen Herstellers kann beispielsweise nicht ohne weiteres an einer Lichtquelle eines anderen Herstellers betrieben werden. Namhafte Hersteller bieten hierfür auf Nachfrage passende Adapter an.

Lichtquellen

Auch und insbesondere die Nutzung digitaler Bildübertragungstechniken (Videoendoskopie) mittels CCD-Chips machte den Einsatz teurer Xenon - Lampen notwendig.

Deren Lichtstärke ist zwar exzellent, ihre Standzeit wird jedoch stark von den jeweiligen Ein/Auschaltzyklen bestimmt. Es gilt: Je mehr Zyklen desto geringer die Standzeit.

Nicht nur die Xenon - Lampen entwickeln zudem am Lichtaustritt der Lichtquelle bzw. des Lichtleiter oder Endoskopes, während des Betriebes, enorm viel Wärme. Moderne Lichtquellen sind daher in der Lichtstärke regelbar und durch einen Ventilator gekühlt. Eine weitere, und aufgrund des niedrigen Strom/Kühlungsbedarfs, von Vorteil geprägte Entwicklung sind Geräte mit Leuchtdioden (Light Emitting Diode, LED) als Lichtquelle. Die Lichtleistung von LEDs kann sich jedoch z. Zt. noch nicht mit der von Xenonlampen messen. Dennoch öffnet diese Technik neue Einsatzgebiete und bietet speziell für Lichtquellen im Akkubetrieb eine interessante Alternative.

Lichtleiter

Für endoskopische Lichtleiter werden hauptsächlich Glasfasern verwendet. Glasfaserlichtleiter können bei einem Faserdurchmesser von 7 bis 10 µm aus bis zu 42.000 Fasern aufgebaut sein. Dies ergibt eine Auflösung von 42.000 Bildpunkten (Pixel) (Pro Faser kann eine Helligkeits- und eine Farbinformation übertragen werden) und entspricht einer Auflösung unter 240 × 180 (siehe Bildauflösung ) Bildpunkten. Hinzu kommt der Moiré-Effekt, der die Qualität des Bildes weiter vermindert und durch die Überlagerung des fiberoptischen mit dem CCD Raster entsteht. Aus diesen Gründen werden vermehrt Videoskope verwendet, welche elektronisch mit eingebautem CCD Chip funktionieren. Es gibt aber auch Lichtleiter, die das Licht mittels eines Gels als Transportmedium leiten können.   Gellichtleiter bieten eine stärkere Lichtausbeute was besonders für große Räume und die digitale Endoskopie im Allgemeinen von Vorteil ist. Gellichtleiter sind in der Verwendung etwas unhandlicher, nicht so biegsam, wie Glasfaserlichtleiter. Ohne angeschlossenen Lichtleiter sieht man zwar ein Bild durch das Endoskop, dieses ist jedoch zu dunkel um in geschlossenen Räumen verwertbare Ergebnisse zu erzielen.

Endoskope

Zu den Endoskopen zählen die starren oder flexiblen Endoskope und deren Unterarten. In der technischen Anwendung gebräuchliche Arbeitsdurchmesser von starren und flexiblen Endoskopen sind 3, 5, 6, 8 und 10 mm. In der medizinischen Endoskopie kommen aber vereinzelt auch kleinere Arbeitsdurchmesser zur Anwendung.

Starr

  Ein starres Endoskop (engl./techn. Rigid Borescope) leitet die Bildinformationen des zu Untersuchenden Objektes bzw. Raumes durch ein Linsensystem im Inneren des Endoskopschaftes an das Okular weiter. Die meisten aktuellen Endoskope bieten durch einen Fokussierungsring in der Nähe des Okulars die Möglichkeit das Bild auch für Brillenträger auf die optimale Schärfe einzustellen. Das für die Untersuchung/Inspektion notwendige Licht der Lichtquelle wird über den angeschlossenen Lichtleiter, ebenfalls im Inneren des Schaftes durch Glasfaserbündel an die Spitze des Endoskopes transportiert. Der Preis eines starren Endoskopes hängt von der Güte der verwendeten Linsen, den Blick/Sichtwinkeln des Objektivs und der Arbeitslänge bzw. dem Arbeitsdurchmesser ab. Im Mittel handelt es sich hier um einen eher niedrigen, vierstelligen Eurobetrag. Es gibt auch starre Endoskope mit verstellbaren Blickwinkeln sog. Schwenkprismenendoskope. Hier lässt sich der Blickwinkel um einen festgelegten Gradbereich variieren (hilfreich für größere Räume).

Flexibel

Bei einem flexiblen Endoskop bzw. Flexoskop (engl. Flexiscope/Flexoscope) werden Bild und Licht über Glasfaserbündel übertragen.  

Ab einem praktikablen Durchmesser sind Flexoskope/Videoendoskope auch mit auswechselbaren statt festmontierten Objektiven (Vor/Seit - oder Rückwärts) sowie Arbeitskanälen zum Einführen von mikromechanischen Geräten (kleine Zangen oder Greifer) in den Untersuchungs/Inspektionsraum erhältlich.

Siehe auch: Medizinische Endoskopie und Mikromechanik.

Video

Die jüngste Unterart der Flexoskope bilden die sog. Videoendoskope (engl. Videoscope/Videoprobe). Videoendoskope eröffnen ein neues Kapitel in der modernen Endoskopie, da sie zur Bildübertragung/Erzeugung digitale Technologien nutzen. Ein am Objektiv des Videoskopes angebrachter, CCD-Chip, (siehe auch Digitalkamera) erzeugt ein digitales Bild des Untersuchungsobjektes und leitet es an die folgenden Baugruppen des Videoendoskopes weiter. Meist bereitet dann ein Prozessor diese Daten im Folgenden auf, sendet sie zur Ausgabe an einen Monitor, oder legt sie auf einer Festplatte/CD/DVD ab. Videoendoskope ermöglichen so, je nach georderter Ausstattungsvariante, das nachträgliche aufbereiten/optimieren oder sogar vermessen eines Bildes bzw. Objektes.  Die neuesten Geräteentwicklungen erlauben sogar das Speichern mehrstündiger Videoinspektionen/Untersuchnungen.

Messtechnik

Auf dem Gebiet der digitalen Messtechnik verwirklichen sich z.Zt. die verschiedensten Herstellerphilosophien. Um nur einige zu nennen:

• Vergleichsmessung
• Schatten/Videobildmessung
• Lasermessung
  

Jede der genannten Messtechniken für sich birgt, für den jeweiligen Verwendungszweck, Vor- und Nachteile. Teilweise jedoch können hiermit heute erstaunlich genaue Ergebnisse erzielt werden. Ein komplett ausgestattetes, messfähiges Videoendoskopsystem kann leicht einen hohen, fünfstelligen Eurobetrag kosten. Der weitaus teuerste Einzelposten hiervon wird immer der jeweilige CCD-Chip sein.

Optik

Gesetzmäßgigkeiten

  Im Zusammenhang mit dem Arbeitsdurchmesser eines Endoskopes gilt:

Je größer der Durchmesser, desto heller und weiter das Bild.

Gemäß den Gesetzen der Optik ergibt sich weiter folgender Zusammenhang zwischen Sichtwinkel und Vergrößerungsfaktor:

Großer Sichtwinkel = geringe Vergrößerung (Weitwinkel in der Fotografie)
Kleiner Sichtwinkel = starke Vergrößerung (Teleobjektiv in der Fotografie)

Im Zusammenhang zwischen der Vergrößerung und dem Abstand von Objektiv und dem zu untersuchenden Gegenstand gilt:

Der Vergrößerungsfaktor beschreibt die Bild bzw. Objektgröße relativ zur aktuellen Größe
und weiter:
Der Vergrößerungsfaktor verhält sich invers proportional dem Abstand: Objektiv / Gegenstand (Abhängig von weiteren Faktoren)

Objektive

Kennzeichnung

Endoskope werden mit einem Schlüssel ihrer Merkmale gekennzeichnet, dieser findet sich in der Regel am Schaft oder dem Griffstück als Gravur wieder. Es gilt:

Ein Endoskop mit folgenden Angaben: 6-70-67 hätte demzufolge die Daten:
Arbeitsdurchmesser = 6,00 mm, Blickwinkel = 70°, Sichtwinkel = 67°.
Ein eher vergrößerndes Endoskop mit einem vorausblickendem Objektiv.

Zeittafel

• 1806 - Philipp Bozzini (Arzt / Frankfurt) konstruiert erstmalig ein starres medizinisches Endoskop.^[2]
  Das Bozzini Endoskop galt nach dem Zweiten Weltkrieg als verschollen, wurde jedoch kürzlich in den USA wiedergefunden und über die „Internationale Nitze-Leiter-Forschungsgesellschaft für Endoskopie“ an das Wiener „Institut für Geschichte der Medizin“ zurückgegeben. Über seine damalige Anwendung gibt es keinen Beleg.
• 1850/51 - Hermann von Helmholtz entwickelt den Augenspiegel und nutzt ihn praktisch
• 1855 - Weiterentwicklung des „Bozzini“ Endoskopes durch den französischen Arzt Antonin J. Desormeaux. (Er ersetzte die von Bozzini als Lichtquelle verwendete Kerze durch eine Gasbogenlampe.)
• 1879 - Der Dresdner Arzt Maximilian Nitze stellt sein mit Hilfe des österreichischen Handwerkers Josef Leiter hergestelltes „Zystoskop“ vor, welches die Endoskopie mit einem wirklich brauchbaren starren Endoskop heutiger Bauart begründete.
• 1958 - Entwicklung des ersten flexiblen Endoskopes (Flexoskop) durch B.I. Hirschowitz.
• 1976 - Entwicklung des ersten Desinfektionsgerätes für flexible Endoskope durch S.E. Miederer und Arbeitsgruppe^[3] an der Universität Bonn.
• 2000 - Einführung der Kapselendoskopie^[4] in die Praxis

Anwendungsgebiete

Allgemein

Das Einsatzspektrum der Endoskopie ist wirklich breit gefächert. So ergeben sich sehr spezielle Einsatzzwecke vielleicht nicht gleich im ersten Ansatz:

• Archäologie - Sogar der Ötzi ist endoskopisch untersucht worden
• Polizei - Lageprüfung von unsicheren Räumen
• Geheimdienste - Spionage
• Militär / Waffenindustrie
• Zoll (Verdachtsmomente des internationalen Warenhandels: Schmuggel/Rauschgift)
• Musikinstrumente
• Rettung bei Katastrophen
• Tierbauten (Maulwurfgänge, Vogelnester)

Technisch

Die technischen Einsatzgebiete sind weitreichend, um nur einige zu nennen:

• Bautenschutz - Überprüfung der Isolierung bei Altbauten / Sichtung auf Schädlingsbefall bei Holzbauten / Ursachenforschung bei Wasserschäden
• Denkmalpflege - Große Denkmäler sind oftmals hohl und können mittels Endoskopie auf etwaige korrosive Vorgänge geprüft werden
• Automobilindustrie - Hier wird das Endoskop hauptsächlich zur Prüfung von Hohlraumversiegelungen und Motoren (Verschleiß) eingesetzt
• Schiffsindustrie (Motoren)
• Industrieanlagen (Kraftwerke, Rohrschweissnähte)
• Luftfahrt - siehe unten  

Besonders in der Luftfahrt wird die Endoskopie immer öfter für die Wartung zum Beispiel von Flugtriebwerken eingesetzt. Unter Zuhilfenahme des Arbeitskanals und von Mikrowerkzeugen können auch kleinere Reparaturen an Triebwerkschaufeln durchgeführt werden. So etablierte sich in diesem Bereich der Begriff Boroskopie (v. engl. Borescope; bore = Bohrloch/Bohrung). Das Flexoskop findet im Englischen seine Entsprechung als Flexiscope oder Flexoscope. Endoskopie (engl. Endoscopy) stellt den Oberbegriff für diese Technologie dar.

Medizinische Endoskopie

Medizinische Endoskope haben die Untersuchung des Magen-Darmtraktes, der Lunge und auch der Gebärmutter revolutioniert. Sogar die ableitenden Tränenwege können endoskopisch untersucht werden.
Die ältesten und einfachsten noch im Gebrauch befindlichen Endoskope bestehen aus einem starren Rohr, durch welches das notwendige Licht hineingespiegelt wird und wodurch man mit dem bloßen Auge sieht. Daher spricht man volkstümlich von „Spiegelung“. Die längeren Geräte waren zusätzlich mit Linsen in einem Schlauch am vorderen Ende ausgestattet und ermöglichten erstmals passiv geringe Bewegungen.
Eine erste Weiterentwicklung bestand darin, ortsfern erzeugtes Licht mit Glasfaserbündeln an die Rohrspitze zu bringen. Der nächste Entwicklungsschritt war, auch die Bildinformation über flexible, geordnete Glasfaserbündel, die Bildleiter, zum Auge des Untersuchers zu übertragen. Erst hiermit wurde das Endoskop wirklich flexibel. Die aktive Steuerung des Gerätes erfolgt seither über vier eingearbeitete Bowdenzüge.

Eine medizinische Endoskopieeinheit umfasst über die unter Basis beschriebenen Komponenten hinaus:

• zwingend

1. Einen Luftinsufflator oder eine Gaspumpe zum dosierten Aufblasen von Hohlorganen oder Körperhöhlen (Bauchhöhle), bei denen sonst die Wände auf die Optik fallen oder Details in Falten verdeckt würden.
   Im einfachsten Fall ist dies ein Gummiballon mit Ventil (bei der Rektoskopie, siehe unten), der von Hand betätigt wird. Bei flexiblen Endoskopien (Gastroskopie beispielsweise) wird eine drucklimitierte Pumpe verwendet und das Einblasen der Luft vom Endoskopiker mittels Fingerventilen bewirkt. Bei der Bauchhöhlenspiegelung hingegen benutzt man mengen- und drucklimitiert geregelte Automaten und zur Vermeidung einer Luftembolie wird CO₂-Gas anstelle von Luft eingeblasen.
2. Einen Irrigator: Im einfachsten Falle eine mit Kochsalzlösung gefüllte Spritze oder Infusionsflasche.
3. Eine Absaugpumpe für Schleim und andere unerwünschte flüssige Inhalte der Hohlorgane

• bedarfsweise

1. Einen Koagulator zur Blutstillung
2. flexible Werkzeuge. Sie werden über Arbeitskanäle eingebracht.
   • Greif- oder Schneidwerkzeugen zwecks Gewinnung von Gewebeproben
   • Kanülen zur Injektion
   • Drahtelektroden zur Koagulation mit elektrischem Strom.

Heutzutage wird, vor allem unter stationären Bedingungen, das Bild nicht mehr direkt mit dem Auge (weder am starren Rohrendoskop, noch am Okular des flexiblen Endoskops) betrachtet, sondern an einem oder mehreren modernen Monitoren, die die Farbinformation möglichst wenig verfälschen, und die die Arbeit und das Lehren (Kibitzen) ohne Qualitätsverlust bei Tageslicht ermöglichen. Dadurch eröffnet sich zusätzlich auch die Möglichkeit der Aufzeichnung auf Videoträger oder eine Übertragung in Hörsäle.

Eine interessante neuere Entwicklung ist die „Endoskoppille“ oder Kapselendoskopie: Eine Minikamera, die peroral in Form einer Pille eingenommen und durch die natürliche Peristaltik durch den Verdauungstrakt transportiert wird, nimmt in fortlaufender Serie Aufnahmen des Darms auf. Die Kapsel ist für den Einweggebrauch (once disposable) konzipiert. Diese Technik wie auch die Auswertung sind aufwendig, aber im Falle verborgener Blutungen oder kleiner Tumore im Dünndarm als „ultima ratio“ äußerst hilfreich. Ein zeitgleicher therapeutischer Eingriff wie bei den anderen endoskopischen Methoden ist derzeit nicht möglich.

Von großer Wichtigkeit ist die Desinfektion der flexiblen Geräte, die hitzeempfindlich und daher einfachen Methoden nicht zugänglich sind. Heute wird durch moderne Desinfektionsgeräte die Keimfreiheit der Endoskope garantiert. Das erste Desinfektionsgerät wurde 1976 von einer Arbeitsgruppe um S. E. Miederer^[3]entwickelt.

Vorbereitung in der medizinischen Endoskopie

Bei den meisten endoskopischen Untersuchungen erfolgt für den Betroffenen zur Erleichterung eine Prämedikation, das heißt es wird ein Beruhigungsmittel, zum Beispiel Midazolam oder Propofol, gegeben.

Typisch medizinische endoskopische Untersuchungs- und Behandlungsmethoden

1. Spiegelung am Magen-Darm-Trakt
   • Speiseröhre (Ösophagoskopie)
   • Magen (Gastroskopie)
     • Anlage einer Magenfistel mittels Endoskop (Perkutane endoskopische Gastrostomie (PEG))
   • Zwölffingerdarm (Duodenoskopie)
     • allein oder
     • mit Röntgendarstellung von Gallengängen und Pankreasgang (ERCP)
   • Gallenwege (Cholangioskopie)
   • Dünndarmspiegelung (Enteroskopie und die Kapselendoskopie^[4])
   • Dickdarmspiegelung (Proktoskopie, Rektoskopie, Sigmoidoskopie, Koloskopie)
2. Spiegelung des Atmungssystems
   • Kehlkopfspiegelung (Laryngoskopie)
   • Luftröhrenspiegelung (Bronchoskopie)
3. Spiegelung des Mittelfells (Mediastinums)
   • Mittelfellspiegelung (Mediastinoskopie)
4. Spiegelung der Gelenke
   • Gelenkspiegelung (Arthroskopie)
5. Spiegelung des Harnsystems
   • Harnblasenspiegelung (Cystoskopie)
   • Harnleiterspiegelung (Ureteroskopie)
6. Spiegelung des Auges und der Anhangsgebilde
   • Spiegelung der ableitenden Tränenwege über den natürlichen Zugang der Tränenpünktchen bis zur Mündung in der Nase
   • Spiegelung des Ziliarkörpers im Auge und gleichzeitige Verödung mit einem Laser (Zyklophotokoagulation) bei Glaukom
   • Spiegelung des Glaskörpers und der Netzhaut und Schaffung eines Arbeitskanals im Rahmen einer Vitrektomie
   • Augenhintergrundspiegelung (Ophthalmoskopie), obgleich hier kein Endoskop im eigentlichen Sinne zur Anwendung kommt
7. Spiegelung anderer Organe
   • Spiegelung der Vagina (Scheide) und des in der Vagina gelegenen Muttermundes (Portio vaginalis) (Kolposkopie)
   • Gebärmutterspiegelung (Hysteroskopie)
   • Die Bauchhöhlenspiegelung (Laparoskopie). Diese Methode benutzt aber ebenso wie die Arthroskopie keinen natürlichen Zugang.
8. Im weiteren Sinne zählen zur Endoskopie auch:
   • Ohrenspiegelung (Otoskopie) mit dem Ohrtrichter oder Otoskop
   • Nasenspiegelung (Rhinoskopie) mit dem Spekulum oder flexiblen Rhinoskop
   • Spiegelung des Rachenraums (Pharyngoskopie) mit dem Spiegel, Laryngoskop oder dem flexiblen Rhinoskop

Besonderheiten im Umgang

• Endoskope sind Präzisionsinstrumente und müssen sorgfältig behandelt werden. Jegliche Beschädigung des Schaftes und allzu harte Schläge können zum Lösen bzw. Verrutschen der Linsen im Inneren führen. Ein typisches Anzeichen hierfür ist die Eintrübung der Okularoptik, die bei weiteren Beschädigungen auch zum Komplettausfall des Endoskopes führen kann.
• Das Schaftende mit dem Prisma ist besonders gegen zu hohe Temperaturen (z.B. in der technischen Anwendung) zu schützen. Jeder Hersteller gibt eigene Empfehlungen hierfür an, als Richtwert gilt eine Obergrenze von +65 bis +70 Grad Celsius. Für Ausnahmeanwendungen konstruierte Endoskope können bis 130 Grad Celsius einsetzbar sein.
• Wird der Glasfaserlichtleiter eines Flexoskopes extrem stark gebogen oder gar beschädigt, können einzelne Glasfasern brechen, was sich durch kleine schwarze Punkte in der Optik des Flexoskopes bemerkbar machen wird.

Entwicklung

Aktuell wird in Zusammenarbeit von Forschungsgesellschaften und Herstellern an Endoskopen mit kleinsten Arbeitsdurchmessern gearbeitet. Durchmesser vergleichbar der Dicke eines menschlichen Haares sollen helfen, das Einsatzgebiet der Endoskopie in neue Bereiche auszudehnen, z.B.:

• Untersuchungen bestimmter Hirnregionen
• Betäubungslose Untersuchungen, für die aufgrund der großen Durchmesser der Geräte heute noch eine Betäubung notwendig ist

Weiterhin werden bald auch CMOS-Bildsensoren in Videoendoskopen eingesetzt. Deren Vorteil liegt darin, dass viele Bildverarbeitungsfunktionen bereits auf dem Chip erfolgen und so die analoge Bildübertragung mittels Glasleiter fortfällt, die bei CCD-Chips noch nötig ist.

Auch werden LEDs in ihrer Leistungsfähigkeit immer besser, so dass es mittlerweile bereits Hersteller gibt, die sie in starren Videoendoskopen einsetzen. Die Lichtausbeute der LEDs reicht an die 60 lm/Watt. Das Problem der Wärmeabfuhr harrt aber noch immer einer Lösung.

Siehe auch

• Trokar
• Minimal-invasive Chirurgie (MIC)
• Angioskopie

Literatur

• Armin Gärtner: Medizintechnik und Informationstechnologie - Bildmanagement. Band II, TÜV-Verlag, 2005, ISBN 3-8249-0941-3
• Siegfried Ernst Miederer: Endoskopie, in: E. Thofern, K. Botzenhart: Hygiene und Infektionen im Krankenhaus, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, New York (1983), S. 465-472, ISBN 3-437-10815-8

Quellen

1. ↑ Richard Toellner: Illustrierte Geschichte der Medizin. Bd. 3, S.1202, Andreas & Andreas, Salzburg 1990.
2. ↑ Offiz. Seite des Institut für Geschichte der Medizin, Wien , dem der Bozzini-Lichleiter zurückgegeben wurde.
3. ↑ ^{a b} M.Tholon, E.Thofern, S.E. Miederer: Desinfection procedures of fiberscopes in endoscopy departments. Endoscopy, Bd.8, Nr.1, 1976, S.24-29.
4. ↑ ^{a b} Video-Endoskopie: Mit einer Kapsel den Dünndarm inspizieren. Deutsches Ärzteblatt, Bd.99, H.28-29, 15.07.2002, Seite A-1950 / B-1646 / C-1539.