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Endoskop mit nur einer Faser: Bild lässt sich berechnen

KI für die Bildübertragung
Endoskop so dünn wie ein Haar – und trotzdem gibt’s ein Bild

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Für die Bildrekonstruktion über eine einzelne optische Faser bauten die Forscher einen Demonstrator. Mit einem mathematischen Modell ließen sich bereits Abbildungen rekonstruieren (Bild: Ivonne Mallasch, Westsächsische Hochschule Zwickau)
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Ein mathematisches Modell, mit dem sich Endoskope verkleinern lassen, haben Absolventen der Westsächsischen Hochschule Zwickau (WHZ) entwickelt. Das Ziel: die Bildübertragung durch eine einzelne optische Faser.

Je kleiner da flexible Endoskope, desto besser werden sonst schwer zugängliche Hohlräume in der Medizin und in technischen Branchen erreichbar. Endoskope mit einem sehr kleinen Durchmesser sind zum Beispiel bei einer Gastroskopie oder Nasenspiegelung bei Kindern von großem Vorteil. Die Bildübertragung erfolgt dabei über Glasfaserbündel aus vielen tausend Einzelfasern.

Bildübertragung im Endoskop durch eine Faser bisher nicht möglich

Solche Faserbündel mit einem großen Durchmesser von mehreren Millimetern sind für bestimmte Einsätze von Nachteil. Daher sollen in Zukunft so genannte optische Multimodefasern mit einem Kerndurchmesser von wenigen zehn Mikrometern in Endoskopen eingesetzt werden. Im Unterschied zu Bildleitkabeln ermöglichen einzelne optische Multimodefasern aber keine direkte Bildübertragung.

Zwei Abschlussarbeiten an der WHZ und am Fraunhofer-Anwendungszentrum für Optische Messtechnik und Oberflächentechnologien AZOM sollen nun dennoch die Bildübertragung durch eine einzelne optische Faser von nur rund 100 µm Durchmesser ermöglichen – die damit wenig dicker ist als ein menschliches Haar. Beim Lösen dieser Aufgabe soll ein auf KI basierendes mathematisches Modell helfen, dass das Ausgangsbild aus den Daten rekonstruieren kann.

„Wir standen hier vor einer großen Herausforderung“, erklären Antje Schuschies und Leander Kläber, Absolventen im Bereich Physikalische Technik. Schaue man durch eine einzelne Faser, sehe man am Faserausgang nur eine Ansammlung unorganisierter Lichtpunkte. Das Ausgangsbild werde also nicht 1:1 über eine einzelne Faser übertragen. „Außerdem waren Konzepte für die Stabilität der Übertragung notwendig“, sagen die jungen Forscher.

Kleiner Durchmesser des Endoskops – KI berechnet das Bild

Das von ihnen entwickelte mathematische Modell kann das Bild durch Berechnung aber wiederherstellen. „Dadurch lässt sich der Durchmesser bei Endoskopen reduzieren.“ Auch eine Manipulation des Lichts am Faserende sei 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.

Kontakt zu den Forschern:

Westsächsische Hochschule Zwickau
Fakultät Physikalische Technik/ Informatik
Kornmarkt 1
08056 Zwickau
Prof. Dr. rer. nat. habil. Peter Hartmann
E-Mail: Peter.hartmann@fh-zwickau.de

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